Stale TRIP to nowoczesne stale o strukturze drobnoziarnistej, które cechują się jednocześnie dużą wytrzymałością oraz wysoką plastycznością. Stale TRIP określa się także mianem stali z austenitem szczątkowym albo stalami o zwiększonej ciągliwości dzięki przemianie [1]. Dotychczas stereotypowo wytrzymała stal (twarda) nie była plastyczna. Powierzchniowa warstwa głowni mieczy była poddawana hartowaniu  w celu uzyskania wysokiej twardości. Rdzeń pozostawał plastyczny. Możliwe było naostrzenie miecza i nadanie mu właściwości elastycznych niezbędnych w walce. W przypadku niewłaściwego hartowania (np. indukcyjnego) wałków na wskroś ich dalsza obróbka poprzez prostowanie na prasach oznaczała ich pękanie i powstawanie odpadów.

Stereotyp, iż stal wytrzymała jest twarda i nieelastyczna nie jest już całkowicie prawdziwy.

Stale różnych gatunków stanowią najczęściej wykorzystywany i najpopularniejszy materiał konstrukcyjny na świecie. Niska cena, względnie łatwa technologia (w tym obróbka cieplna, cieplno-chemiczna, cieplno-plastyczna) wytwarzania umożliwiająca nadawanie zróżnicowanych właściwości zarówno mechanicznych (użytkowych) jak i obróbkowych.

Stale TRIP

Stale poddawane są umacnianiu z wykorzystaniem różnych mechanizmów:

• umacnianie roztworowe;
• umacnianie dyspersyjne;
• umacnianie poprzez zgniot;
• umacnianie granicami ziaren;
• umacnianie przemianami fazowymi.

Powszechnie określany wykres żelazo-węgiel to wykres równowagi układu żelazo-węgiel czyli wykres fazowy węgla w stopie z żelazem. Wykres ten umożliwia odczytywanie rodzaju struktury danego stopu. Warunkiem poprawności jest równowagowy proces wytwarzania. Przy szybkim chłodzeniu stop może posiadać inną budowę krystaliczną niż przy ochładzaniu powolnym. Podstawa wiedzy o stalach obejmuje ten właśnie wykres. Wspomniano o nim celem zwrócenia uwagi na przemiany fazowe w kontekście wykorzystania ich do umacniania stali.

Wysokie właściwości wytrzymałościowe stali można osiągnąć poprzez modyfikację ich składu fazowego. Polega to na doprowadzeniu do wystąpienia określonej ilości produktów przemian fazowych (martenzyt, bainit i austenit szczątkowy, czy w określonych przypadkach metastabilny austenit). Stale tego typu to stale umocnione przemianą (ilustracja 1). Ilustracja 1 przedstawia poglądowy szkic mikrostruktury stali (stale TRIP) gdzie α_B – bainit; α – ferryt; γ_R-austenit resztkowy; α_M-martenzyt.

Podczas obróbki cieplnej niektórych gatunków stali powstaje metastabilny austenit. Poddany oddziaływaniu naprężeń albo odkształcenia plastycznego może stać się martenzytem. Wystąpienie odkształcenia generuje umocnienie (przemiana metastabilnego austenitu w martenzyt). Konsekwencją jest alokacja odkształcenia plastycznego w inne miejsce. Dzięki temu odkształcenie nie następuje w jednym konkretnym miejscu co z kolei doprowadziło by do efektu tzw. szyjkowania i zerwania umocnienia. W ten sposób materiał zachowuje jednocześnie ciągliwość i wytrzymałość (efekt TRIP).

Stale TRIP – obróbka cieplna

Ilustracja 2 przedstawia schemat przebiegu obróbki cieplnej stali TRIP. W pierwszym etapie stal jest wyżarzana (stabilny ferryt i austenit α+γ). Temperatura wygrzewania stanowi czynnik regulujący regulując proporcje austenitu względem ferrytu, a jednocześnie stężenie węgla w austenicie.

Kolejny etap to izotermiczne hartowanie w zakresie temperatur przemiany bainitycznej. Ten etap określa wielkość płytek bainitycznych oraz udział bainitu wzlgędem austenitu resztkowego. W niższych temperaturach uzyskuje się większą zawartość ferrytu bainitycznego w formie cienkich płytek.

Istotną rolę kształtującą właściowości stali TRIP jest ich drobnoziarnista mikrostruktura. Właściwości wytrzymałościowe stali zwiększają się wraz ze zmniejszaniem wielkości ziaren (wzrost gęstości granic międzykrystalicznych). Przyjęta teza to zdolność otrzymania stali, w której ziarna struktury osiągają rozmiary nanometryczne czego konsekwencją są wysokie właściwości wytrzymałościowe.

Stale UFG TRIP – projekt NANOSTAL

Ukształtowanie tak drobnoziarnistej struktury stali wymagało stosowania specjalnie opracowanych gatunków stali. Taki stan rzeczy stanowi utrudnienie dla wdrożeń przemysłowych. Naukowcy Politechniki Warszawskiej (Wydział Inżynierii Materiałowej) w ramach projektu NANOSTAL wykazali, że jest możliwość uzyskania ultradrobnoziarnistej mikrostruktury ferrytyczno-bainitycznej z austenitem resztkowym. Uzyskane mikrostruktury są zbliżone do opracowanych już stali TRIP [1].

W celu uzyskania takiej drobnoziarnistej mikrostruktury opracowano i zastosowano innowacyjną obróbkę cieplną. Uzyskano zespół właściwości wytrzymałościowych i plastycznych jeszcze lepszy niż posiadane przez dotychczasowe stale TRIP. Tak uzyskuje się stale UFG TRIP (ang. Ultra-fine Grained TRansformation Induced Plasticity steels). Dobre właściwości plastyczne zależą od przemiany martenzytycznej (umacnianie przemianą).

Budowa fazowa, składniki strukturalne decydują o właściwości danej stali. Nanobainityczne stale o osnowie ferrytycznej swoją strukturą przypominają materiały kompozytowe. Duże wydłużenie przy zerwaniu i wysoka udarność to efekt plastycznej fazy austenitycznej i ferrytycznej. Wytrzymałość na rozciąganie i twardość to skutek warstw przesyconych węglem (bezwęglikowy bainit, duża gęstość granic ziaren i granic międzyfazowych).

Właściwości stali UFG TRIP

• Niska twardość (250÷350 HV);
• Niski stosunek granicy plastyczności do wytrzymałości: R_p0,2/R_m=0,5÷0,6;
• Wysoka wytrzymałość na rozciąganie 800÷1200 MPa;
• Wydłużenie 23÷10%
• Wysoka udarność 75÷12 J.

Wykorzystanie tego typu stali (stale TRIP, stale UFG TRIP) zależy od konstruktorów. Ich właściwości z technologicznego punktu widzenia stanowią o niższych kosztach procesu technologicznego komponentów o określonych właściwościach. Dodatkowo istnieje możliwość modyfikacji mikrostruktury stali handlowo dostępnych.

Materiałoznawstwo to dziedzina, w której są duże możliwości kreowania nowych innowacyjnych materiałów lub jak pokazują stale UFG TRIP modyfikacji mikrostruktury stali handlowo dostępnych i uzyskiwania materiałów o istotnie odmiennych właściwościach od pierwotnych.

Źródła

1. Gołaszewski A., Nowa generacja stali ultradrobnoziarnistych z efektem TRIP, STAL. Metale. Nowe technologie Nr 7-8/2015, str. 38-40
2. Świątnicki W., Skołek E., Wasiak K., Wytwarzanie ultradrobnoziarnistej mikrostruktury martenzytyczno-austenitycznej w stalach w procesie niepełnego hartowania i partycjonowania węgla, XVIII Seminarium “nowoczesne Trendy w Obróbce Cieplnej” 16-17.09.2015 r. z Zbąszynie, str. 45-49