Badanie hartowności stali

*

1. CEL ĆWICZENIA- Celem ćwiczenia jest zbadanie hartowności stali niestopowej i stopowej metodą

chłodzenia od czoła (tzw. próba Jominy'ego)

2. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE

2.1. Hartowanie stali- Pojęciem hartowania stali określa się skłonność do tworzenia struktury

martenzytycznej, przy czym za strefę zahartowaną przyjmuje się strefę zawierającą co najmniej 50%

martenzytu. Twardość strefy o strukturze zawierającej 50% martenzytu, tj. tak zwanej strefy

półmartenzytycznej, nosi nazwę twardości krytycznej.

Hartowność łączy się ściśle z szybkością chłodzenia stali od temperatury austenityzacji. Strukturę

martenzytyczną uzyskuje się przy szybkości chłodzenia większych lub równych szybkości krytycznej, tj.

najmniejszej szybkości warunkującej tworzenie tylko struktury martenzytycznej. Na rys. 1 przedstawiono

schematycznie zmianę szybkości chłodzenia na przekroju cylindrycznej próbki stalowej i związaną z tym

grubość strefy zahartowanej. Rozważając hartowność jako pewną „wrodzoną” zdolność stali do wytwarzania

przy hartowaniu struktury martenzytycznej można sprecyzować trzy podstawowe czynniki mające wpływ na tę

hartowność:



skład chemiczny stali,



jednorodność austenitu



wielkość ziarna austenitu

Węgiel i wszystkie pierwiastki stopowe, z wyjątkiem Co, pod warunkiem że są rozpuszczalne

w

austenicie, zwiększają hartowność stali (przesuwając linie wykresu CTP w prawo). Przez dodatek tzw.

intensyfikatorów, np. boru, tytanu, cyrkonu można dodatkowo wpływać na zwiększenie hartowności.

największy efekt daje odpowiednie wprowadzenie boru, który już przy przy zawartości 0,002% zwiększa

głębokość hartowania 1,5÷5 razy.

Im większa jednorodność austenitu, tym większa hartowność stali, ponieważ brak jest dodatkowych

zarodków przyspieszających jego rozkład w zakresie przemian perlitycznych. Niejednorodność austenitu może

być spowodowana obecnością wtrąceń niemetalicznych (tlenków, azotków itp.) lub węglików. Może być ona

wywołana również brakiem wyrównania składu chemicznego w objętości ziarn austenitu. Im większe ziarna

austenitu, tym większa hartowność. Wynika to z faktu zmniejszenia się ilości uprzywilejowanych miejsc

zarodkowania „struktur dyfuzyjnych”, którymi są między innymi granice ziarn. Struktura gruboziarnista ma

najmniejszą sumaryczną powierzchnię ziarn w stosunku do struktury drobnoziarnistej i stąd im grubsze ziarna

austenitu, tym bardziej linie wykresu CTP przesunięte są w prawo. Oprócz omówionych czynników na grubość

warstwy zahartow

anej mają wpływ warunki realizowania obróbki cieplnej, temperatury nagrzewania, sposobu

grzania, rodzaju ośrodka chłodzącego (szybkość chłodzenia) oraz wielkość przedmiotu i stan jego powierzchni.

Przy ocenie hartowności stali wprowadzono pojęcie średnicy krytycznej (D

k

). Średnica krytyczna jest średnicą

największego przekroju próbki stalowej hartującej się na wskroś w danym ośrodku chłodzącym. Wielkość

średnicy krytycznej dla danego gatunku stali wiąże się z rodzajem ośrodka chłodzącego (powietrze, olej,

w

oda). Aby wyłączyć wpływ sposobu chłodzenia na hartowność, wprowadzono pojęcie idealnej średnicy

krytycznej (

DĄ). Jest to średnica największego przekroju hartującego się na wskroś w idealnej kąpieli

hartowniczej, odbierającej ciepło z nieskończenie dużą szybkością. Oddawanie ciepła przez element hartowny

uzależnione jest w tym przypadku od jego przewodności cieplnej.

2.2. Metody badania hartowność

Istnieją zasadnicze metody badania hartowności:



obserwacja przełomu,



metoda krzywych U,



próba hartowania od czoła (próba Jominy'ego)

Obserwacja przełomu jest metodą warsztatową badania hartowności. Przy przełamaniu zahartowanego

pręta część zahartowana ma przełom jedwabisty, matowy, natomiast część nie zahartowana jest błyszcząca.

Metodę tę stosuje się do badania stali narzędziowych.

Metoda krzywych U

polega na pomiarze twardości na przekroju zahartowanej próbki o kształcie walca.

Próbka musi mieć wystarczającą długość, aby można było pominąć wpływ chłodzenia od powierzchni

czołowych. Po zahartowaniu próbki i wycięciu z jej części środkowej krążka, mierzy się twardości (HRC) na

przekroju poprzecznym wzdłuż średnicy w dwóch prostopadłych kierunkach. Na wykresie rozkład twardości na

przekroju próbki nie zahartowanej na wskroś przypomina liter U, jak to przedstawia rys. 2. Znając wartość

twa

rdości krytycznej dla danego gatunku stali można rozgraniczyć strefę zahartowaną od nie zahartowanej

i

określić grubość strefy zahartowanej.

2.3. Badanie hartowności metodą chłodzenia od czoła

Badanie hartowności metodą od czoła, czyli próbą Jominy'ego, przeprowadza się opierając się na normie

PN-79/H-

04402. Metodę tę stosuje się celem określenia hartowności stali konstrukcyjnych, węglowych

i

stopowych nie hartujących się w powietrzu. Badanie przeprowadza się na próbce znormalizowanej o

wymiarach podanych na rys. 3.

Próbkę wykonaną z badanego gatunku stali wkładamy do pieca elektrycznego nagrzanego do

temperatury A

c3

÷A

c1

+(30÷50 ºC). Dla stali węglowej temperaturę A

c3

ustalamy z

układu równowagi Fe-Fe

3

C.

Aby w

czasie nagrzewania zabezpieczyć próbkę przed odwęgleniem, wkładamy ją do metalowego pudełka

i

obsypujemy opiłkami żeliwa. Głowa próbki powinna nieco wystawać z opiłek. W stalach niskowęglowych nie

zauważono wyraźnych skutków odwęglenia i dlatego wyżej opisane zabezpieczenie jest czasem pomijane.

Wygrzewanie próbki w piecu elektrycznym powinno trwać około 45 minut. Po upływie tego czasu należy

chwycić kleszczami główkę próbki, wyjąć z pieca i wstawić do uchwytu aparatu Jominy'ego. Schemat aparatu

Jominy'ego przedstawiono na rys. 4.

Po wstawieniu próbki do uchwytu aparatu i odsunięciu przesłony dyszy wodnej czoło próbki jest

intensywnie chłodzone wodą. Czas zużyty na wyjęcie próbki z pieca i wstawienie do aparatu nie powinien

przekraczać 5 sekund. Próbki należy chłodzić co najmniej 10 minut. Po ostygnięciu próbki szlifujemy wzdłuż

dwu przeciwległych tworzących, zdejmując z każdej strony warstwę około 0,4 mm. W czasie szlifowania należy

próbkę intensywnie chłodzić. Na oszlifowanych powierzchniach wykonujemy pomiary twardości aparatem

Ro

ckwella (HRC), na długości 20÷50 mm w odległościach co 2 mm od czoła próbki. Przedstawiwszy graficznie

otrzymywane wyniki stwierdzamy, że w miarę zwiększania się odległości od czoła następuje łagodne

zmniejszenie się twardości stali hartującej się głęboko (stal stopowa) oraz wyraźny spadek twardości stali

płytko hartującej się (stal węglowa), jak to podano przykładowo na rys. 3

Celem wyznaczenia odległości od czoła, na której próbka uległa zahartowaniu (osiągnęła twardość

krytyczną H

k

), należy wpierw z wykresu przedstawionego na rys. 5 odczytać twardość krytyczną dla danego

gatunku stali. Opieramy to na praktycznym założeniu, że twardość martenzytu (a także strefy

półmartenzytycznej) zależy od zawartości węgla. Znając twardość krytyczną badanej stali wyznaczamy z rys. 6

odległość krytyczną l

k

w

mm. Dla określenia średnicy krytycznej badanej stali przy hartowaniu w wodzie

o

temperaturze 10÷25 ºC i w oleju o temperaturze 15÷70 ºC można posłużyć się wykresem przedstawionym na

rys. 6.

Z próby Jominy'ego można więc odczytać:



maksymalną twardość stali



charakter zmian twardości, a więc po odpowiednim przeliczeniu inne własności mechaniczne,



średnicę krytyczną w danym ośrodku chłodzącym oraz za pomocą odpowiednich monogramów idealną

średnicę krytyczną.

Krzywe hartowności otrzymane z próby Jominy'ego mogą się trochę różnić dla poszczególnych wytopów

stali tego samego gatunku, a

nawet dla próbek pochodzących z różnych części wlewka. Wynika to

z

dopuszczalnych wahań składu chemicznego, jednakowej wielkości ziarna i innych czynników. Na podstawie

masowych badań różnych części wlewków otrzymuje się wiele punktów, które wykazują pewien rozrzut

twardości. Jeżeli punkty te ograniczyć obustronnie liniami, to powstanie tak zwane pasmo hartowności danej

stali, określające możliwe wahanie hartowności stali danego gatunku. Na rys. 7 przedstawiono pasmo

hartowności dla wybranych stali.

3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA

Dwie próbki do badań hartowności (rys. 3): ze stali niestopowej 40 i stali stopowej 40H, piec elektryczny,

urządzenie do badania hartowności (rys. 4), twardościomierz typu Rockwella.

4. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Ćwiczenie polega na określeniu hartowności metodą chłodzenia czołowego stali 40 i 40H wg zasad

przedstawionych w

punkcie 2.3. Po zahartowaniu próbki i odpowiednim przeszlifowaniu ich pobocznic należy

przeprowadzić pomiar twardościomierzem Rockwella (HRC). Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów

należy narysować krzywe hartowności oraz określić odległości krytyczne, a następnie średnice obu gatunków

stali przy chłodzeniu w wodzie i oleju.

\