Термичка обрада челика служи за промену својстава челика и његово прилагођавање. Састоји од из три фазе: загревања до одређене температуре, задржавања на изабраној температури и хлађења. При томе, зависно од температуре и времена загревања, могу настати фазне промене у челику или само дифузије присутних елемената.
Постоје различити начини поделе метода термичке обраде челика, а један од њих је на: Жарење Нормализација Каљење Отпуштање и Старење (челика)
Жарење Жарење је поступак термичке обраде загревањем делова до одређене температуре, на којој се задржавају извесно време, а затим се полако хладе. Разликују се следеће врсте жарења:
хомогенизационо жарење меко жарење рекристализационо жарење
Хомогенизационо жарење Изводи се у циљу уједначавања хемијског састава челика, обично након ливења или неког другог технолошког процеса, који доводи до појаве нехомогености структуре. Изводи се на релативно високим температурама (1000 до 1300 °C), да би се омогућила брза дифузија присутних елемената и уједначавање хемијског састава, по целој запремини. При томе долази до укрупњавања зрна, па након овог жарења челик има малу чврстоћу и тврдоћу, мало ојачава услед деформације и погодан је за обраду резањем. Након механичке обраде, жарени делови се обично подвргавају неком од завршних видова термичке обраде, као што су каљење и отпуштање.
Брзина загревања при хомогенизационом жарењу нема битног утицаја на својства, као што утичу време, температура жарења, као и брзина хлађења. Са порастом температуре и времена жарења остварује се хомогенија структура, док мала брзина хлађења жареног челика омогућује задржавање мекане структуре, без унутрашњих напрезања до собне температуре.
Меко жарење Изводи се са циљем побољшања машинске обрадивости и припреме структуре за каљење. Жарење челика се изводи на температурама од 650 до 750 °C. Дуготрајним жарењем у области А1 температуре настаје сфероидизација ламела цементита тј. прелаз ламеларног перлита у зрнасти. Услед промене облика и величине честица цементита знатно се побољшава обрадивост резањем и обрадивост деформисањем. Најпогоднија структура меко жареног челика је феритна са округлим честицама карбида средње величине. У случају веома ситних честица карбида, челик има велику чврстоћу и тврдоћу, па се због тога тешко обрађује, док у случају крупних честица карбида, челик има превелику жилавост, услед чега, при резању настаје тракаста струготина, која је непогодна. Обрађена површина жилавих челика је такође слабијег квалитета. Након меког жарења изводи се веома споро хлађење.
Рекристализационо жарење
Рекристализационо жарење се зводи са циљем враћања својстава пластичности челику, који је претходно био деформисан у хладном стању. Ефекат загревања се огледа у смањењу чврстоће и тврдоће, уз истовремено повећање својстава деформабилности. При деформисању у хладном стању настају структурне промене које се карактеришу појавом великог броја дислокација и других грешака у кристалној структури метала и повећањем нивоа његове енергије, обезбеђујући покретачку силу за одвијање процеса опорављања и рекристализације. При томе опорављање обухвата промене које настају на нивоу кристалне решетке, као што је исправљање еластично деформисаних делова решетке, кретање тачкастих дефеката и дислокација унутар решетке и њихово правилно распоређивање, затим поништавање извесног броја тачкастих и линијских грешака у решетки, док рекристализација представља стварање нових равноосних зрна од претходно деформисаних.
Ново формирана зрна расту, при даљем загревању или држању на високим температура. Да би се разликовао процес рекристализације од раста зрна, у литератури се такође користе и изрази примарна и секундарна рекристализација.
При опорављању могу настати следеће промене у структури: интерстицијски смештени атоми могу прећи у оближње празнине и тако смањити број тачкастих грешака решетке, затим дислокације супротног знака се могу поништити, такође доводећи до извесног смањивања броја линијских грешака решетке. Поред тога, појединачне празнине се могу спојити у линијску групу празнина, а дислокације се могу померити тако да заузму праволинијски распоред у кристалној решетки односно могу да формирају малоугаону границу. При томе, број дислокација остаје исти, али је њихова енергија смањена. Процес сређивања дислокација се назива полигонизација.
При опорављању се могу променити физичке карактеристике деформисаног метала као нпр. електрични отпор, док механичка својства остају приближно иста.
Рекристализација настаје механизмом настајања центара рекристализације и раста кристала, слично као при кристализацији из растопа. Процес рекристализације се активира загревањем а енергија потребна за одвијање овог процеса се ослобађа услед смањивања броја дислокација деформисаног метала. После рекристализације механичка својства се знатно мењају достижући вредности пре деформисања.
Број центара рекристализације и брзина раста нових кристала зависи од степена претходне деформације и температуре на којој се одвија деформација. Величина зрна после рекристализације може бити већа или мања у односу на величину зрна пре деформације.
Постоји нека критична вредност степена деформације, до које нема промене величине, односно не долази до рекристализација. Разлог за ово је тај што је исувише мала енергија унета и акумулирана у металу при деформацији, тако да процес рекристализације не може да се покрене. Уколико при загревању метала деформисаног са критичном степеном деформације процес рекристализације крене, расположива разлика слободних енергија може да обезбеди мали број центара рекристализације, продес рекристализације се одвија споро и настају веома крупна зрна. Повећањем степена деформације уноси се већа енергија у структуру деформисаног метала, тако да процес рекристализације почиње на већем броју места у деформисаној структури и све брже се одвија, а због већег броја центара рекристализације структура је постаје ситнозрнаста.
Температура рекристализације није чврсто одређена карактеристика метала (као нпр. температура топљења). већ се креће у ширим границама, зависно од степена деформације, времена загревања, величине зрна деформисане структуре и хемијског састава. Минимална вредност ове температуре износи око 0,4Tt тј. 450 °C за гвожђе, а за угљеничне челике обично износи од 450 до 600 °C. Температура при којој се хладно деформисани метал рекристалише у току 1 сата се сматра температуром рекристализације. Уколико се деформисање одвија на температури која је изнад температуре рекристализације, онда деформисање изазива рекристализацију која се истовремено одвија са деформисањем, па се тада ради о деформацији у топлом стању. Због истовременог одвијања деформисања и рекристализације нема ојачавања метала и пада деформабилности. Овај вид рекристализације се назива и динамичка рекристализација.
Појава раста зрна након рекристализације није погодна, јер доводи до смањења жилавости метала. Појава секундарног раста зрна је могућа при загревању јако деформисаног метала на високе температуре.
Нормализација
Нормализација представља загревање челика у циљу образовања аустенитне структуре и хлађења у мирном ваздуху. Област температура нормализације челика је приказана на слици 5-4. При томе услед фазних трансформација настаје уситњавање металних зрна и хомогенизација структуре. Ова структура се назива нормална структура, јер се све промене структуре изазване каљењем, жарењем, деформисањем, заваривањем уклањају нормализацијом. Уситњавање структуре настаје тако што се при загревању не мења значајно величина зрна, јер из сваког зрна ферита или перлита настаје зрно аустенита, али при хлађењу из једног зрна аустенита настаје више зрна ферита или перлита.
Нормализацијом се знатно побољшавају механичка својства челика као што су напон течења, затезна чврстоћа, издужење, сужење попречног пресека и жилавост. Финоћа нормализоване структуре зависи од брзине загревања, времена држања и брзине хлађења. Уколико је већа брзина загревања, краће држање на температури нормализације и нижа температура, утолико је структура после нормализације финија. Већа брзина загревања и краће држање не дозвољавају пораст зрна при аустенитизацији а већа брзина хлађења доводи до појаве већег броја центара прекристализације и самим тиме ситнозрнастије структуре.
Каљење
Каљење челика је поступак обраде челика загревњем на температуре од 750 до 950 °C, после чега се задржава на тој температури, а затим брзо хлади. Циљ каљења је повећање тврдоће и чврстоће челика. Загревање се врши до добијања аустенитне структуре (чврст раствор угљеника у гвожђу), знатно веће чврстоће од: ферита и перлита. Делови се загревају по посебном режиму, у зависности од врсте челика, облика дела, врсте пећи и расхладног средства.Техничка школа Михаило Петровић Алас: Технологија материјала - скрипте за 2. разред, Александар Радовић, Косовска Митровица 2009, приступ 22.4.2013 Брзим хлађењем аустенита настају структуре каљења: мартензит, беинит, трустит и сорбит.
Мартензит представља пресићени чврст раствор угљеника у решетки гвожђа. Има тетрагоналну решетку и настаје бездифузионом трансформацијом аустенита, при брзом хлађењу.
Беинит је прелазна структура која има карактеристике и бездифузионе и дифузионе трансформације аустенита. Трансформација се одвија бездифузионим путем, а на крају ове трансформације настаје субмикроскопско издвајање честица цементита.
Трустит и сорбит представљају смешу ферита и цементита, која настаје дифузионом трансформацијом аустенита, а међусобно се разликују по величини ламела цементита. Уколико се ламеле цементита повежају више од 2000 пута, онда се ради о труститу, а уколико се ламеле могу уочити при већим повећањима светлосног микроскопа (500 до 2000 пута) онда се ради о сорбиту. При мањим повећањима (100 до 500 пута) добијена структура се назива перлит.
Каљење се може различито изводити. Постоје:
Запреминско, које може бити континуално, у два расхладна средства, степенасто (са прекидом) и изотермално Површинско каљење се изводи само континуално, у једном расхладном средству, тако што се загрејани предмет потопи у расхладно средство и остави док се не охлади.
Зависно од врсте челика загревање се врши од одређене температуре:
Подеутектоидни челици се кале из области аустенита, са температуре која је за 20 до 50 °C изнад GS линије. Код њих, каљење са нижих температура није погодно, јер настаје структура која садржи ферит (мека фаза), који умањује ефекте каљења. Надеутектоидни челици се кале из двофазне области (аустенит са честицама секундарног карбида), јер честице карбида које остају у структури после каљења додатно повећавају тврдоћу челика и отпорност на хабање. Међутим, пре каљења челик треба подвргнути меком жарењу да би се честице карбида уситниле. У супротном, нерастворене ламеле цементита на границама зрна доводе до појаве кртости каљених челика. Каљење надеутектоидних челика из аустенитне области би довело до већих термичких и структурних напрезања и појаве веће количине заосталог аустенита после каљења.
Време држања на температури каљења треба да буде довољно да се предмет потпуно прогреј. У случају да се честице карбида не растворе у аустениту, добија се мањи садржај угљеника у аустениту, па су слабији ефекти ојачавања челика. Такође, предуго време држања на температури аустенитизације доводи до раста аустенитног зрна након растварања карбида, при чему се формира крупноигличасти мартензит, који има мању жилавост од ситноигличастог. Када аустенит садржи већи проценат угљеника, он је стабилнији при каљењу, па након каљења заостаје већа количина аустенита.
Брзина хлађења треба да буде довољно велика да се оствари захтевана структура челика (нпр. мартензит), међутим, каљење треба изводити што блажим расхладним средствима да би настала што мања унутрашња напрезања. Најјаче расхладно средство је ледена и/или слана вода, затим редом следе: вода собне температуре, топла вода, уље, компримовани ваздух, миран ваздух итд.