Katedra Metaloznawstwa i Technologii

Materiałowych

Zakład Metaloznawstwa i Obróbki Cieplnej

Wykład 7:

OBRÓBKA CIEPLNA STALI

Obróbką cieplną

nazywamy odpowiednio dobrane zabiegi

cieplne, które prowadzą do zmiany własności stali poprzez
zmiany

struktury,

wywołane

przemianami

fazowymi

zachodzącymi w stanie stałym.

Teoria obróbki

cieplnej

W operacjach obróbki cieplnej stali mamy do czynienia z

czterema

podstawowymi przemianami fazowymi, które

zachodzą w zależności od rodzaju fazy wyjściowej, kierunku
zmiany temperatury ( nagrzewanie, chłodzenie ) i
szybkości chłodzenia.

Przemiana perlitu w austenit

( pierwsza przemiana podstawowa ) -

decydująca o możliwości zachodzenia następnych. Po nagrzaniu
stali powyżej temperatury A

1

austenit ma mniejszą energię

swobodną niż perlit - co stanowi siłę napędową przemiany. Szybkość
przemiany zależy od struktury perlitu - najszybciej zachodzi ona w
drobnopłytkowym perlicie ( duża liczba zarodków i małe drogi
dyfuzji ).

Grzanie pow.

A

1

(727

0

C)

Dyfuzyjna przemiana austenitu

( druga przemiana podstawowa ) -

po ochłodzeniu austenitu poniżej A

1

powstaje różnica energii

swobodnych, która jest siłą napędową tej przemiany. W zależności
od zakresu temperatur, w którym zachodzi, ma różny przebieg,
występują też różnice morfologiczne powstającej struktury. W
zakresie powyżej temperatury maksymalnego zarodkowania istnieje
zakres

przemiany

perlitycznej,

poniżej

zakres

przemiany

bainitycznej. Temperatura graniczna oddzielająca te zakresy
odpowiada przechłodzeniu ok. 200

0

C poniżej A

1

.

Bezdyfuzyjna przemiana austenitu

( trzecia przemiana podstawowa

) - zwana martenzytyczną.

Martenzytem

nazywamy przesycony roztwór stały węgla w żelazie .

Ma strukturę tetragonalną, powstałą przez zniekształcenie sieci A2.
Siłą napędową przemiany martenzytycznej jest różnica energii
swobodnej między austenitem i martenzytem, ale warunkiem
powstania martenzytu jest chłodzenie austenitu z taką szybkością,
aby nie uległ on wcześniej przemianie w perlit lub bainit.

Rozkład martenzytu

( czwarta przemiana podstawowa ) - zachodzi w

zahartowanej stali podczas jej grzania. Główną i najistotniejszą
przemianą jest rozkład martenzytu, który pozostawał w stanie
równowagi metastabilnej, w mieszaninę złożoną z ferrytu i
węglików. Mieszanina taka ma mniejszą energię swobodną niż
martenzyt, co jest siłą napędową przemiany.

Wykres CTPi ( dla stali

eutektoidalnej )

Perlit gruby

Perlit drobny

Bainit

górny

Bainit

dolny

B

f

B

s

M



+M

M

f

M

s

+B

P

f

P

s





+P

Technologia obróbki

cieplnej

Wyżarzanie ujednoradniające

( homogenizujące ) - polega na

nagrzewaniu do temperatury zbliżonej do linii solidus ( zwykle
10001250

0

C ), długotrwałym wygrzewaniu w tej temperaturze, aż

do zajścia dyfuzyjnego wyrównania składu chemicznego, oraz
chłodzeniu.

Wyżarzanie

- zabiegi cieplne, które w mniejszym lub

większym

stopniu

prowadzą

do

stanu

równowagi

termodynamicznej w obrabianym stopie. Są to najczęściej:
nagrzanie do określonej temperatury, wygrzewanie i
chłodzenie.

Wyżarzanie normalizujące

( normalizowanie ) - polega na

nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn. 3050

0

C powyżej linii GSE

(A

3

-A

cm

) i następnie studzeniu na wolnym powietrzu. Stosowane w

celu rozdrobnienia ziarna i ujednolicenia struktury.

Wyżarzanie zupełne

- prowadzi do wytworzenia struktury zbliżonej

do stanu równowagi. Polega na austenityzowaniu stali jak przy
normalizowaniu i następnie studzeniu w piecu. Celem zabiegu jest
zmniejszenie twardości i naprężeń wewnętrznych oraz zwiększenie
ciągliwości stali.

Wyżarzanie niezupełne

- przeprowadza się podobnie jak wyżarzanie

zupełne, z tym że temperatura wyżarzania jest pośrednia między A

1

-

A

3

dla stali podeutektoidalnych oraz między A

1

-A

cm

dla stali

nadeutektoidalnych. Cel zabiegu jest analogiczny, jak przy
wyżarzaniu zupełnym.

Operacje

wyżarzania

Operacje

hartowania

Wyżarzanie odprężające

- polega na nagrzaniu do temperatury

poniżej 650

0

C i powolnym chłodzeniu. Jest stosowane do odlewów

staliwnych i żeliwnych, połączeń spawanych lub elementów
prostowanych.

Wyżarzanie izotermiczne

( patentowanie

) - polega

na

austenityzowaniu stali a następnie szybkim ochłodzeniu do
temperatury ok. 500

0

C i wytrzymaniu w tej temperaturze aż do

zajścia przemiany perlitycznej. Stosowane do obróbki cieplnej drutu
na liny i struny.

Wyżarzanie rekrystalizujące

- stosowane po uprzednim zgniocie

( obróbce plastycznej na zimno ), przeprowadza się w przypadku
stali w temperaturze poniżej A

1

, ale powyżej temperatury

rekrystalizacji. Stosowane w celu usunięcia skutków zgniotu.

Hartowanie

- w przeciwieństwie do wyżarzania prowadzi do

powstania struktury nierównowagowej. Celem zabiegu jest
znaczne zwiększenie twardości.

Hartowanie zwykłe

- polega na austenityzowaniu z

następnym szybkim oziębieniem w celu uzyskania struktury
martenzytycznej.

Hartowanie bainityczne

- polega na austenityzowaniu a

następnie wytrzymaniu przedmiotu w temperaturze wyższej
od temperatury początku przemiany martenzytycznej przez
czas dostatecznie długi aby zaszła przemiana bainityczna.

Obróbki cieplne a wykres CTPi

Hartowanie zwykłe

(martenzytyczne)

Wyżarzanie izotermiczne

(patentowanie)

Hartowanie

bainityczne

Jak zahartować

stal ?



+cm’

’

p+cm

’’

+p

+ 

0,4

5

1

Stal

45

( 0,45% C ) - w stanie normalizowanym ma strukturę ferrytyczno-perlityczną,

po nagrzaniu do temp. 850

0

C w jej strukturze występuje

tylko austenit

, a po gwałtownym

oziębieniu ( zahartowaniu ) w jej strukturze występuje

martenzyt

.

Stal

N10

( 1 % C ) - w stanie normalizowanym w strukturze

występuje perlit i cementyt
wtórny, po nagrzaniu do temp. 770

0

C w jej strukturze występuje

austenit i cementyt wtórny

, a po gwałtownym oziębieniu

( zahartowaniu ) w jej strukturze występuje

martenzyt i cementyt

wtórny

.

Odpuszczanie

stali

W wyniku hartowania martenzytycznego stal staje się bardzo
twarda, wzrastają również jej własności wytrzymałościowe,
natomiast plastyczne ulegają silnemu obniżeniu. Własności
zahartowanej stali można w szerokim zakresie zmieniać
stosując odpuszczanie.

Odpuszczane niskie

( 100250

0

C ) - nie

obniża twardości, ale odpręża materiał i
zmniejsza jego skłonność do kruchego
pękania.

Odpuszczane średnie

( 250450

0

C ) - jest

stosowane w celu nadania obrabianym
elementom wysokiej granicy sprężystości
przy

równoczesnym

polepszeniu

ich

własności plastycznych.

Odpuszczane wysokie

( 450600

0

C ) -

powoduje wyraźne obniżenie własności
wytrzymałościowych

oraz

wzrost

plastycznych.

W

wyniku

rozpadu

martenzytu powstaje struktura zwana

sorbitem

.

Połączenie

zabiegów

hartowania

z

odpuszczaniem

średnim

lub

wysokim

nazywamy

ulepszaniem cieplnym stali.

Krzywa dylatometryczna

odpuszczania stali