Tratamente termice aplicate materialelor metalice

Tratamente termice aplicate materialelor metalice

1 Definitii, parametri si clasificarea tratamentelor termice

Tratamentele termice sunt procese termice de prelucrare a metalelor si aliajelor prin racire si incalzire dupa anumite reguli si in conditii bine determinate, in scopul modificarii proprietatilor mecanice, fizice sau tehnologice. Schimbarea proprietatilor materialelor metalice in urma tratamentului termic depinde de modificarile care au loc in structura lor.

Orice tratament termic poate fi reprezentat printr-o diagrama ridicata in coordonate temperatura - timp. In figura 3.21. este reprezentata o diagrama simpla a unui tratament termic constand dintr-o incalzire 1 cu durata τ₁, o mentinere la temperatura t_max2, cu durata τ₂ si o racire 3 cu durata τ₃

Un ciclu de tratament termic este caracterizat prin urmatorii parametri (fig.3.21.):

temperatura maxima pana la care se face incalzirea (t_max);

timpul de mentinere la temperatura maxima τ₂;

viteza cu care se face incalzirea, v_inc data de relatia:

in care t₀ este temperatura initiala, adica temperatura ambianta;

- viteza de racire v_r data de relatia:

Regimul de tratament termic se stabileste in legatura cu transformarile ce se produc in aliajele solide la incalzire si racire. In baza acestor transformari tratamentele termice se pot imparti in urmatoarele grupe:

Recoacerea este un tratament tehnologic, utilizata fie pentru a corecta unele defecte provenite din prelucrarile anterioare, fie pentru a pregati materialul pentru prelucrarile ulterioare. In functie de scopul urmarit, in practica se folosesc urmatoarele tipuri de recoacere: de omogenizare, regenerare (corectare), recristalizare, detensionare si imbunatatire a prelucrarii prin aschiere.

In functie de transformarile care se produc in structura materialelor metalice recoacerea se clasifica in:

recoacerea fara transformari de faza ca: omogenizarea, detensionarea si recristalizarea;

recoacerea cu transformari de faza ca: regenerarea, normalizarea, globulizarea, cand materialul este incalzit peste punctele de transformare in stare solida .

Calirea este un tratament termic de incalzire a aliajului metalic in domeniul transformarilor de faza in stare solida urmat de racirea cu viteza mare in scopul obtinerii unei stari structurale in afara de echilibru, asa cum este martensita in oteluri si alte sisteme de aliaje.

Revenirea este tratamentul termic care consta in incalzirea unui aliaj calit, la o temperatura inferioara celei de transformare in stare solida , in vederea obtinerii unei stari structurale mai stabile.

2 Incalzirea si racirea materialelor metalice in timpul tratamentelor termice

Incalzirea materialelor metalice depinde de constantele termofizice (conductibilitatea termica, dilatare, etc.) si de dimensiunile si forma pieselor metalice. Un regim de incalzire corect ales trebuie sa asigure: atingerea temperaturii de tratament (t_max) in toata masa piesei, deformari minime ale piesei, evitarea aparitiei crapaturilor, pierderi minime de material prin oxidare. Durata de incalzire este un parametru de ordin tehnologic si economic care trebuie corelata cu cele doua cerinte mentionate.

Instalatiile si mediile de incalzire utilizate pentru realizarea tratamentelor termice se clasifica in:

cuptoare cu flacara cu combustibil gazos sau lichid;

cuptoare electrice cu rezistenta;

instalatii de incalzire prin curenti de inductie;

bai de saruri topite;

bai de topituri de aliaje metalice.

Instalatiile electrice de incalzire asigura o reglare precisa a temperaturii si o protectie corespunzatoare a suprafetei pieselor; acestea se recomanda mai ales pentru piese mici din materiale neferoase. In scopul realizarii unei protectii corespunzatoare a pieselor in timpul tratamentelor termice se utilizeaza instalatii cu atmosfera controlata (vid, atmosfera neutra, atmosfera reducatoare, etc.).

Racirea si mediile de racire a pieselor incalzite la temperatura de tratament sunt impuse de tipul tratamentului si constituentii ce urmeaza a se obtine. Durata de racire variaza de la cateva secunde la zeci de ore. Mediile de racire (fig.3.22.) trebuie sa asigure obtinerea temperaturii dorite finale, realizarea vitezei de racire optime, evitarea aparitiei fisurilor, evitarea deformarii metalului peste anumite limite. Principalele medii de racire utilizate in practica sunt: spatiul de lucru al instalatiilor de tratament, baile de topituri de saruri, baile de topituri de metale sau aliaje, aer, apa si solutiile apoase, uleiuri, etc. Dintre mediile amintite cea mai mare viteza de racire o asigura solutiile apoase, apoi in ordine descrescanda uleiul, aerul, spatiul de lucru al cuptorului .

3 Tratamente termice aplicate otelurilor

Tratamentele termice constau in modificarea structurii si proprietatilor otelurilor, prin incalzire si racire, fara modificari ale compozitiei chimice.

3.1 Transformarea austenitei la racire

Austenita este o solutie solida de carbon in fier gama, stabila la temperaturi inalte, ce contine carbon intre 0,8% la 723 grade Celsius si 2,1% la temperatura de 1147 grade Celsius. In timpul racirii austenita se descompune formand constituenti si faze specifice conditiilor in care a avut loc racirea. In diagrama de echilibru a aliajelor Fe - C sunt indicate punctele de transformare A₁ si A₃ in conditiile unei raciri foarte incete, cat mai apropiate de starea de echilibru. Daca insa viteza de racire are valori mai mari, punctele de transformare A₃, A_cem si A₁ isi schimba pozitia spre temperaturi mai scazute (fig. 3.23) functie de viteza de racire.

In cursul racirii austenita se descompune conform reactiei in stare solida:

Fe_g Fea + Fe₃C

Se poate considera ca transformarea austenitei corespunde schimbarii retelei cubice cu fete centrate in retea cubica cu volum centrat, insotita de expulzarea atomului de carbon din reteaua Feg. Acest fenomen reprezinta un proces de difuzie, care necesita timp pentru a se desfasura. Din acest considerent este de presupus ca la subraciri mari transformarea g a sa se poata produce inainte ca atomul de carbon sa fi parasit reteaua cubica cu fete centrate si deci acest atom va fi prins in interiorul noii retele (cubica cu volum centrat) ceea ce va duce la deformarea puternica a acesteia din urma.

Mobilitatea atomilor de carbon si de fier in stare solida este diferita - atomii de carbon difuzeaza mai usor, avand dimensiuni mai mici ca cei de fier si este influentata de scaderea temperaturii. In intervalul de temperatura in care se produce transformarea austenitei (sub punctul Ar₁) pot exista situatii in care fenomenele de difuzie si autodifuzie sa nu mai aiba loc din cauza mobilitatii scazute a atomilor.

In functie de transformarea austenitei la racire, caracterizata de existenta celor doua fenomene, se disting trei intervale de transformare in care mecanismul transformarii si produsele obtinute sunt distincte (fig. 3.24):

- intervalul transformarii perlitice, caracterizat prin posibilitatea desfasurarii atat a proceselor de autodifuzie a fierului, cat si de difuzii a carbonului (D_Fe>0, D_c>

intervalul transformarii bainitice (intervalul intermediar), caracterizat prin posibilitatea desfasurarii proceselor de difuzie a carbonului D_c>0 si insuficienta desfasurare a autodifuziei fierului D_Fe=0, odata cu scaderea temperaturii;

- intervalul transformarii martensitice, caracterizat de imposibilitatea desfasurarii atat a proceselor de autodifuzie a fierului cat si a proceselor difuziei carbonului (D_Fe = 0; D_c = 0).

Transformarea perlitica din austenita devenita instabila datorita racirii sub temperatura punctului de transformare A₁, se manifesta prin aparitia unor colonii de perlite, atat in masa cristalelor de austenita cat si la marginea acestora. O colonie de perlita reprezinta un volum in care, lamelele de ferita au aceeasi orientare si se formeaza astfel (fig.3.25):

In masa austenitei, prin difuzia atomilor de carbon si autodifuzia atomilor de fier, se creeaza conditii favorabile separarii unei lamele de cementita bogata in carbon, urmata de aparitia in jurul ei a unei faze sarace in carbon - perlita.

Prin aceleasi fenomene de difuzie se produce cresterea lamelelor formate cu aparitia de noi lamele in vecinatatea primelor; odata cu aparitia unei noi lamele de cementita (4), se va dezvolta o noua colonie de perlita in vecinatatea celeilalte (5).

Dezvoltarea coloniilor de perlita duce in final la formarea cristalelor de perlita (fig. 3.25.b), care pot ocupa volumul mai multor cristale de austenita.

Constituentii formati prin descompunerea austenitei in intervalul perlitic se deosebesc dupa forma si dupa gradul de finete al lamelelor de cementita si perlita si pot fi sub forma de: perlita globulara- a); perlita lamelara-b); perlita sorbitica-c) si troostita-d), asa cum se prezinta in fig. 3.26.

a) b) c) d)

Fig.3.26 Structuri perlitice

Transformarea bainitica se produce la subraciri mai mari decat cele necesare transformarii perlitice, procesele de difuzie se desfasoara mai greu, viteza de difuzie a carbonului este inca suficienta pentru a se putea precipita cementita, dar viteza de autodifuzie a atomilor de fier este redusa la minim.

Austenita, in aceste conditii, se descompune intr-un amestec de perlita si cementita, ferita formandu-se prin forfecarea retelei gama. Constituentii formati in urma acestei transformari poarta denumirea de bainite si constau dintr-un amestec extrem de fin, aproape dispers, de ferita si carbon de diferite forme, care inca n-au ajuns la forma finala Fe₃C. Bainitele formate in partea de sus a intervalului bainitic (la subraciri mai mici) se numesc bainite superioare si au aspect de fulgi.

Bainitele formate in partea inferioara a aceluiasi interval (la subraciri mai mari) se numesc bainite inferioare cu aspect acicular (fig.3.27.a si b).

Caracteristic acestei transformari este faptul ca in unele cazuri nu se transforma intreaga cantitate de austenita, cea ramasa netransformata va trece la temperaturi mai scazute in martensita.

Fig. 3.27 Aspectul structural al bainitei

Transformarea martensitica are loc la subraciri foarte mari cand austenita se descompune dupa un mecanism complet diferit de cel al transformarii perlitice. Transformarea martensitica are loc la temperaturi atat de joase incat difuzia atomilor nu mai este posibila, atomii de carbon raman prinsi in reteaua fierului a

Se obtine astfel o solutie solida de Fea - C suprasaturata in carbon, constituentul respectiv poarta denumirea de martensita.

Formarea martensitei se realizeaza spontan prin forfecarea retelei cristaline a austenitei, transformarea incepand simultan in diferite puncte ale aliajului in care s-a atins temperatura critica M_s de transformare martensitica.

Caracteristicile transformarii sunt:

lipsa difuziei atomilor de carbon si autodifuziei atomilor de fier;

viteza mare de crestere a cristalelor de martensita (compara-bila cu viteza sunetului);

incetarea brusca a proce-sului de aparitie a noi cristale de martensita atunci cand temperatura devine constanta, fiind necesara continuarea racirii pentru reluarea transformarii. Transformarea martensitica incepe la o anumita temperatura devenita punctul M_s si se termina la o temperatura mai coborata devenita punctul M_f. Pozitia punctelor M_s si M_f este diferita de la otel la otel, functie de compozitia chimica. Din figura 3.28 se constata ca la otelurile cu continut redus de carbon intervalul M_s - M_f este ingust si situat la temperaturi mai mari, aspect care justifica deci ca in aceste oteluri nu se poate obtine transformarea martensitica, acestea nu se pot cali.

Martensita prezinta o structura aciculara (fig. 3.29) a carei finete poate fi in unele cazuri foarte ridicata. Reteaua cristalina a martensitei este tetragonala (a=b≠c ; a b g

Gradul de tetragonalitate varia-za in intervalul dat de raportul laturilor celulei elementare: c / a= 1,03 . .1,07.

Se poate considera ca reteaua martensitei este de fapt o retea cubica puternic deformata, obtinuta prin transformarea g a, fara eliminarea atomului de carbon.

Martensita reprezinta deci un produs in afara echilibrului ceea ce conduce la existenta unor proprietati deosebite ca duritatea.

Austenita reziduala se manifesta datorita faptului ca transformarea marten-sitica nu se produce in toata masa austenitica, ramanand o cantitate oarecare de austenita nedescompusa numita austenita reziduala.

Din fig. 3.30 rezulta ca cu cat continutul de carbon al unui otel este mai mare cu atat cantitatea de austenita reziduala este mai mare si deci proprietatile otelului respectiv depind de proportia dintre acesti constituenti.

Unele elemente de aliere din otel ca Mn, Cr, V, Ni, Mo maresc substantial proportia de austenita reziduala; in cazul otelurilor inoxidabile acest constituent poate fi preponderent in structura otelului la temperatura ambianta.

3.2 Proprietatile constituentilor rezultati la descompunerea austenitei

Structura perlitica globulara confera otelului proprietati de plasticitate medii, duritate scazuta (tabelul 3.1.). Trecerea de la structura perlitica globulara la structura lamelara fina, duce la cresterea continua atat a caracteristicilor de rezistenta (HB, s_r s ) cat si a celor de plasticitate (s, Z).

Bainitele superioare prezinta o oarecare scadere a duritatii si plasticitatii in comparatie cu cele inferioare, ultimele, din cauza dispersiei si uniformitatii carburilor, au valori medii pentru duritate si plasticitate.

Martensita este constituentul cel mai dur rezultat in urma descompunerii austenitei, ea poseda fragilitate ridicata si o plasticitate nula.

In tabelul 3.1 sunt indicate comparativ, proprietatile constituentilor obtinuti la descompunerea austenitei.

Tabelul 3.1 Proprietatile constituentilor de descompunere a austenitei

Descompunerea austenitei se poate realiza in doua moduri: la temperatura constanta (izoterm) sau la racire continua.

Descompunerea izoterma a austenitei se obtine practic prin aducerea rapida a acesteia de la temperatura initiala, la o anumita temperatura sub punctul de transformare A_r1, cu mentinerea in continuare la aceasta temperatura. Daca se reprezinta grafic modul in care se realizeaza descompunerea izoterma a austenitei in timp, la anumite grade de subracire, in coordonate temperatura - timp se vor obtine curbele care marcheaza inceputul M_s si sfarsitul transformarii M_f.

Pozitia liniilor M_s si M_f nu depinde decat de temperatura, iar diagrama care arata modul de descompunere izoterma a austenitei in timp se denumeste diagrama TTT (Time, Temperature, Transformation), asa cum se prezinta in fig.3.31.

Pe diagrama sunt indicate produsele descompunerii austenitei la diferite temperaturi. Pe masura ce temperatura se departeaza de punctul A₁, subracirea provoaca o marire a vitezei de transformare, dar si o micsorare ca urmare a diminuarii proceselor de difuzie. Se constata din diagrama ca la 550⁰C intervalul de transformare trece printr-un minim al perioadei de incubatie - numit cot perlitic - unde perlita se transforma in troostia. Toate metalele cu structura cristalina compacta (CVC, CFC si HC) se contracta la solidificare. Contractia totala la solidificare este egala cu diferenta de volum intre lichidul la temperatura de turnare (T_l) si materialul solidificat la temperatura camerei (T_s).

La temperaturi inferioare cotului perlitic are loc transformarea bainitica, iar mai jos, transformarea martensitica. Folosirea in practica a diagramelor TTT este limitata la tratamentele izoterme ale otelurilor.

In practica industriala se utilizeaza cu precadere tratamente termice cu racire continua, adica cu variatia continua a temperaturii in timp. Aceste diagrame sunt cunoscute sub denumirea de diagrame CCT (Continous Cooling Transformation), adica transformarea la racire continua a austenitei, asa cum se prezinta in fig.3.32.

Curbele existente in aceasta diagrama reprezinta:

a - inceputul formarii perlitei preeutectoide;

b si c - inceputul, respectiv sfarsitul transformarii perlitice;

d si e - inceputul, respectiv sfarsitul transformarii bainitice;

f - inceputul transformarii martensitice (M_s).

In functie de viteza de racire aplicata se pot obtine transformarile structurale ale austenitei prezentate in tabelul 3.2.

Diagramele CCT indica vitezele de racire pentru obtinerea unor anumiti constituenti, proportiile si duritatile realizate.

Tabelul 3.2 Transformarile structurale obtinute prin racirea continua a austenitei cu diferite viteze

3.3 Recoacerea otelurilor

Exista mai multe tipuri de tratamente de recoacere:

Recoacerea de omogenizare se aplica pieselor turnate din otel in scopul uniformitatii compozitiei chimice. Este cunoscut faptul ca in cursul solidificarii solutiilor solide se produce fenomenul de segregare care duce la neuniformizarea compozitiei chimice, fenomen accentuat proportional cu marirea intervalului de solidificare.

Tratamentul consta in incalzirea si mentinerea otelurilor in domeniul solutiei solide γ la o temperatura cat mai ridicata posibil, astfel incat sa se accelereze difuzia elementelor din otel, urmata de o racire lenta. Temperatura si durata mentinerii depinde de compozitia otelului, de forma si dimensiunile piesei. Temperatura de incalzire pentru recoacere este practic la valoarea A_c3 + (150 - 200⁰C), iar durata de mentinere de ordinul orelor, functie de grosimea peretilor piesei.

Recoacerea completa se aplica pieselor care au fost supuse in prealabil unui tratament termic sau mecanic in scopul imbunatatirii prelucrabilitatii prin aschiere sau prin deformare plastica la rece. In general, se urmareste finisarea structurii si eliminarea constituentilor duri ca martensita, bainita, troostita. Tratamentul consta in incalzirea piesei la temperatura A_c3 + 20 - 30⁰C, cu mentinerea circa 30 minute si racire cu viteza mica in cuptor.

Recoacerea de normalizare se aplica otelurilor hipoeutectoide care in urma unor prelucrari la cald (turnare, sudare, deformare plastica, tratament termic) pot sa aiba structura cristalina grosolana. Tratamentul este de fapt o recoacere completa si consta in incalzirea in domeniul austenitic A_c3 + (30 - 50⁰C), mentinere la aceasta temperatura functie de dimensiunile piesei, urmata de racire in aer linistit. Prin acest tratament se realizeaza o finisare a structurii ca urmare a unei duble recristalizari:

la incalzire, ferita si perlita se transforma in austenita;

la racire austenita se transforma in ferita si perlita (fig.3.33)

Fig.3.33 Modificarea structurii otelului prin normalizare

Proprietatile mecanice obtinute in urma normalizari sunt cele caracteristice structurilor fine si cu grad mare de dispersie: rezilienta si rezistenta la rupere bune, iar duritatea satisfacatoare.

Recoacerea de globulizare se aplica otelurilor carbon de scule sau otelurilor de rulmenti in scopul inmuierii maxime, in vederea imbunatatirii prelucrabilitatii prin aschiere - perlita devine globulara. Globulizarea se realizeaza fie prin mentinerea indelungata la temperatura sub punctul A_c1, dar apropiata de aceasta, fie printr-o serie de incalziri si raciri succesive, lente, in jurul punctului A_c1.

Recoacerea de detensionare are scopul de a inlatura tensiunile interne existente in piese, ca urmare a solidificarii pieselor turnate, sudarii sau alte tratamente termice sau mecanice. Recoacerea are loc la temperaturi de 600 -650⁰C, iar pentru oteluri calite la 150 - 200⁰C. racirea pieselor se face in doua trepte: mai intai cu viteze mici (20 - 40⁰C/h) pana la 100 - 200⁰C dupa care se continua racirea in aer linistit.

Recoacerea de recristalizare se aplica in urma prelucrari prin deformare plastica la rece cand structura este deformata, grauntii fiind alungiti pe directia curgerii materialului. In urma recristalizarii edificiul cristalin se reface, dispar tensiunile interne si se restabilesc proprietatile initiale (fig.3.34.).

Fig.3.34 Schema procesului de recristalizare a structurii

a) germinarea; b) cresterea grauntilor; c) covalescenta

3.4 Calirea otelurilor

In mod obisnuit prin calire se intelege tratamentul termic prin care se urmareste obtinerea unei stari in afara de echilibru, caracterizata prin prezenta martensitei in calitate de constituent principal - motiv pentru care se mai numeste si calire martensitica.

In esenta calirea unui aliaj de otel consta in incalzirea acestuia astfel incat sa se obtina austenitizarea, urmata de o racire rapida, prin care sa se realizeze transformarea martensitica a austenitei, fenomen ce necesita o viteza de racire suficient de mare pentru ca austenita sa nu se descompuna in perlita sau bainita. Din studiul diagramelor TTT sau CCT rezulta ca pentru realizarea calirii este necesara racirea cu o viteza mai mare decat viteza critica de calire v_cr, marcata de curba tangenta la cotul perlitic (diagrama TTT) sau domeniul bainitic (diagrama CCT) in fig. 3.35. Pentru otelurile aliate, temperatura de incalzire se alege functie de valoarea temperaturii punctelor Ac₁ si Ac₃ determinate experimental si de influenta elementelor de aliere asupra capacitatii de calire a otelului. Parametrii de calire se aleg din diagrame sau tabele pe baza compozitiei chimice, a formei si dimensiunilor piesei tratate.

Realizarea practica a tratamentului de calire se face prin mai multe procedee:

calirea obisnuita - calirea intr-un singur mediu consta in racirea rapida a piesei intr-un mediu care sa asigure o viteza de racire mai mare decat cea critica. Prin acest procedeu se obtin rezultate bune la calirea pieselor mici din otel carbon sau aliat. Mediile de calire folosite pot fi: apa pentru piesele din otel carbon si uleiuri pentru piesele din otel aliat.

calirea in trepte sau izoterma - prin care piesa se raceste la inceput intr-un mediu capabil sa asigure o viteza de racire suficient de mare pana la o temperatura usor superioara punctului Ms, dupa care urmeaza o mentinere izoterma pentru o anumita durata (minute), pentru ca temperatura sa devina uniforma in toata masa piesei. In functie de modul in care se continua tratamentul de racire exista doua variante:

racirea lenta in aer, cu formarea martensitei in structura, tratamentul numindu-se de calire izoterma martensitica;

mentinerea timp indelungat al piesei in primul mediu de racire (ore) dupa care urmeaza racirea in aer sau in apa, tratamentul se numeste de calire izoterma bainitica.

calirea superficiala consta in ridicarea temperaturii stratului superficial al piesei, peste cea a punctului critic A_3, dupa care se produce racirea rapida cand are loc transformarea martensitica a structurii. Se obtin in acest fel piese cu duritate ridicata in stratul superficial in timp ce miezul ramane tenace.

3.5 Revenirea otelurilor

Otelurile calite sunt de obicei mai dure decat este necesar si in general prea fragile pentru a fi exploatate in conditii bune. Din aceasta cauza piesele calite se supun unui tratament termic, denumit revenire - care consta dintr-o incalzire sub punctul de transformare Ac₁, urmata de o racire de regula in aer. Prin acest tratament otelul calit, aflat total in afara echilibrului, tinde sa se apropie de structura de echilibru, cu diminuarea fragilitatii, a duritatii si a rezistentei la rupere, in acelasi timp se produce o crestere a alungirii si rezilientei..

Revenirea depinde de trei factori principali: starea initiala a otelului calit, durata si temperatura.

starea initiala se refera la existenta in otelul calit a martensitei, austenitei reziduale si altor constituenti in diverse proportii, care vor suferi variatii ale dimensiunilor si formei lor.

in ceea ce priveste durata revenirii se apreciaza ca procesele de transformare la revenire sunt active intr-un interval de timp (cca 30 min.), existand o durata limita de revenire peste care este neeconomic sa se continue tratamentul.

temperatura de revenire are influenta pronuntata asupra revenirii: pentru revenirea inalta temperatura este de 500 - 675⁰C, iar pentru revenirea joasa (cu mentinerea unor duritati mari) se va face la temperatura scazuta 150 - 250⁰C.

Tratamentul termic complet, alcatuit dintr-o calire urmata de o revenire inalta este cunoscut sub denumirea de imbunatatire.

4 Tratamente termice ale aliajelor neferoase

Spre deosebire de aliajele Fe - C, aliajele neferoase admit o gama mai restransa de tratamente termice datorita faptului ca aceste aliaje prezinta transformari in stare solida mai reduse. Singurul tratament termic care se poate aplica oricarui aliaj neferos este recoacerea (de omogenizare, detensionare, recristalizare, etc.). Totusi pot fi supuse tratamentelor termice de calire si revenire un numar insemnat de aliaje neferoase atat prin calire martensitica cat si pe principiul variatiei de solubilitate in stare solida, prin precipitarea din solutii solide suprasaturate.

4.1 Durificarea prin precipitare si dispersie

Conditia necesara pentru producerea reactiei de precipitare este scaderea cu temperatura a solubilitatii unei solutii solide, prezenta unei linii de transformare in stare solida (fig.3.36.). Dintre acestea cele mai importante tipuri de aliaje susceptibile la calire si imbatranire sunt:

aliaje pe baza de nichel binare (Ni - Cr) si complexe;

aliaje pe baza de aluminiu binare (Al - Cu, Al - Mg, Al - Ag) sau complexe (Al - Cu - Mg, Al - Mg - Si, etc.);

aliaje pe baza de titan cu aluminiu, crom, vanadiu, etc.

In aceste aliaje matricea α este o solutie solida cu solvent Al si retea CFC, iar precipitatul de echilibru q reprezinta compusul Al₂Cu cu retea tetragonala. Din figura rezulta ca la incalzirea aliajelor, care contin pana la cca. 6% Cu, peste linia de transformare in stare solida, se formeaza solutia solida omogena a. La racirea acestor aliaje cu o viteza mai mare decat viteza critica, din solutia omogena α se separa (precipita) compusul intermetalic q - Al₂Cu, care durifica aliajul de structura bifazica (a q). In functie de parametrii de calire (durata si temperatura) se pot forma precipitate primare si secundare ale fazei q care germineaza pe limitele de graunte sau pe incluziunile sau defectele prezentate in aliaj, in stare solida. Prin tratamente de imbatranire artificiala se pot stabiliza fazele dure in compozitia aliajului sub forma de precipitate intermediare (zone GP - macle) sau precipitate de echilibru (faza q - Al₂Cu).

Mecanismul durificarii prin precipitare se datoreste interactiunilor intre precipitatele formate in aliaj si dislocatiile matricei - interactiuni care micsoreaza mobilitatea dislocatiilor Exista trei mecanisme ale durificarii prin precipitare, care constituie obstacole in calea miscarii dislocatiilor:

durificarea prin tensiuni interne (mecanismul Mott-Nabaro) actioneaza in stadiile initiale ale imbatranirii, cand in matrice se constituie zonele GP, a caror prezenta creeaza in matrice distorsiuni elastice proportionale cu concentratia precipitatelor si cu diferenta dintre parametrii retelei in matrice si in zona GP.

durificarea chimica are drept cauza modificarea numarului de legaturi interatomice solvent - element dizolvant in planul de alunecare, atunci cand precipitatele sunt traversate de dislocatiile matricei.

durificarea prin dispersie care se produce in conditiile in care precipitatele nu se deformeaza odata cu matricea, ci sunt ocolite de dislocatiile care se deplaseaza prin matrice (fig. 3.37.). Precipitatele actioneaza ca puncte de ancorare ale dislocatiilor mobile, obligandu-le sa se curbeze sub actiunea tensiunii aplicate.

In principiu pentru durificarea unui aliaj in mod eficient este necesar sa fie posibila aparitia unor precipitate in proportie si de dimensiuni care sa asigure o distanta intre particule mai mica de un micron. In acelasi timp particulele de precipitat trebuie sa fie legate de matrice prin interfete coerente sau semicoerente. O alta modalitate de durificare prin dispersie o constituie introducerea in matricea aliajului a unor particule fine de faze secundare insolubile, de obicei oxizi. Tehnologia apeleaza la procedee de metalurgie a pulberilor pentru inglobarea in matricea aliajului a particulelor fine de faze secundare. Se utilizeaza de obicei aliaje de aluminiu durificate prin dispersie cu particule de Al₂O₃ (aliaje SAP) si aliaje de nichel durificate prin dispersie cu oxizi refractari; in acest din urma caz se mentioneaza procedeul TD (Theoria Dispersed) de durificare a nichelului in care se introduce o dispersie fina de particule de oxid de toriu - ThO₂ cu dimensiuni intre 0,01 - 0,05 mm. Aliajele durificate prin dispersie trebuie supuse unor operatii de deformare plastica si tratamente termice de restaurare a structurii, prin care se creeaza si se mentine o mare densitate de dislocatii in matrice. Efectele durificarii pot fi considerabil amplificate prin tratamente termomecanice.

4.2 Durificarea martensitica in aliajele neferoase

Transformarea martensitica se poate produce in diverse aliaje ale fierului cu metalele de tranzitie (care nu sunt oteluri) si intr-o serie de metale si aliaje neferoase asa cum se prezinta in tabelul 3.3.

In transformarile martensitice din alte sisteme decat ale otelului, martensita este o faza de echilibru si nu o faza metastabila. In aceste cazuri transformarea martensitica nu mai pretinde o racire rapida, ci se produce si in conditii de racire foarte lenta, pastrandu-si insa modul de crestere foarte rapid specific transformari martensitice.

Asemenea cazuri se intalnesc la transformarea martensitica in metale pure (transformarea alotropica prin mecanism martensitic) si in diverse sisteme de aliaje neferoase care manifesta transformari eutectoide. De asemenea in aceste sisteme transformarea poate fi reversibila si presupune racirea continua in mod izoterm.

In diversele sisteme de aliaje neferoase, martensitele se diferentiaza in doua tipuri morfologice:

martensita cu substructura de sipci (fig. 3.38) avand ca principale defecte o mare densitate de dislocatii; se prezinta in microstructura sub forma unor lamele subtiri si lungi (ca niste sipci), cu grosimi de la 0,1 la cativa microni, avand o mare densitate de dislocatii; de ordinul 10¹² dislocatii / cm²_.

Tabelul 3.3 Sisteme cu transformare martensitica CFC → CVC (sau TVC) si HC

martensita in plachete (sau acirculara) cu macle interne in substructura plachetelor (fig. 3.39.).

Morfologia martensitelor din aliajele neferoase este mai ales de tipul martensitei in plachete sau acirculare.

In unele sisteme de aliaje neferoase transformarea martensitica este reversibila, spre deosebire de oteluri la care aceasta transformare este ireversibila.

Caracterul reversibil al transformarii este pus in evidenta in fig. 3. 40 prin curbele de variatie cu temperatura a cantitatii de martensita.

Se constata ca si transformarea inversa martensita - faza initiala se realizeaza prin aceleasi mecanisme de crestere rapida ca si transformarea directa, ea producandu-se intr-un interval de temperaturi notate A_s - A_f. Intr-un numar limitat de sisteme de aliaje neferoase ca: Ag - Zn, Cu - Al - Ni, In - Tl, Ni - Ti, martensita formata are caracter termoelastic, spre deosebire de martensita din oteluri care se deformeaza termoplastic. Conditiile necesare aparitiei acestui tip de martensita sunt:

valoare mica a deformarii retelei cristaline la transformarea martensitica (cca.0,0 20);

distributie ordonata a atomilor de specii diferite in reteaua cristalina a martensitei care nu poate fi distrusa prin procesele de distorsionare (alunecare);

substructura martensitei este caracterizata prin prezenta maclelor interne, cu posibilitatea unei demaclari cu usurinta.

Din latimea buclei de histerezis (fig. 3.40) DT_hist. se poate deduce valoarea energiei libere necesare ca forta motrice, pentru declansarea transformarii martensitice:

Formarea martensitei in aliajele feroase se caracterizeaza prin valori mari ale deformatiei retelei cristaline(cca. 0,20) si prin valori mari ale subracirii DT = T₀ - M_s (fig. 3.41), unde T_o este temperatura de echilibru a transformarii martensitice (temperatura de echilibru intre faza initiala g si martensita); M_s este temperatura de subracire la care decurge procesul de transformare martensitica.

Pentru martensitele termoelastice sunt caracteristice valori mici ale deformarii retelei (0,02 - 0,05) si o valoare mica a subracirii DT (histerezis termic redus). La aceste martensite cresterea cristalelor martensitice este oprita cand energia libera ΔG_γ-M, ce actioneaza ca forta motrice a transformarii este contrabalansata de energia de deformare inmagazinata in austenita. Deoarece la aceste austenite deformatia este mica, acest echilibru se stabileste cand deformatia austenitei este inca elastica si din acest motiv sunt numite martensite termoelastice.

Cresterea cristalelor de martensita termoelastica se face in trepte deoarece prin raciri la temperaturi din ce in ce mai joase sub M_s, are loc nu numai germinarea de noi plachete ci si dezvoltarea plachetelor care si-au incetat cresterea la o temperatura mai inalta si care si-au reluat cresterea cand marimea gradului de subracire a furnizat o forta motrice DG_g-M mai mare.

In aliajele de titan existenta transformarilor alotropice a sta la baza aparitiei structurilor martensitice. Alierea titanului cu elemente care determina scaderea temperaturii de transformare β a micsoreaza viteza de transformare, astfel incat in aceste aliaje este posibila aparitia a numeroase stari intermediare care influenteaza sensibil proprietatile mecanice. Astfel solutia solida suprasaturata a cu retea hexagonala obtinuta prin transformarea martensitica are compozitia identica cu faza β din care a provenit printr-o transformare reversibila. Cand creste proportia de faza β, datorita elementelor stabilizatoare, se formeaza martensita a cu simetrie mai scazuta, apropiata de reteaua rombica.

Temperatura de inceput de transformare martensitica Ms, scade cand creste proportia de elemente β stabilizatoare, astfel incat peste o concentratie critica c_cr nu se mai formeaza martensita a (fig. 3.42). Temperatura minima de la care prin calire se formeaza martensita a constituie o temperatura critica T_cr. Faza intermediara ω este coerenta cu β si ea se poate dizolva printr-o recoacere la temperatura inalta, cand se produce transformarea reversibila in β.

Mecanismul de transformare martensitica, cu aparitia diverselor faze intermediare, poate fi schimbat si prin varierea vitezei de racire. Cum fazele intermediare apar in liniile foarte stranse ale conditiilor de transformare, este greu de facut diferenta intre procesele de transformare martensitica reversibile si cele de transformare prin germinare si crestere. Deci formarea martensitei in aliajele titanului este un proces reversibil (ea se poate dizolva) atata vreme cat nu apar fazele intermediare prin procese de difuzie.