AGH WMN III rok

18.01.2009

Artur Janiec

Marcin Dziedzic

OBRÓBKA CIEPLNA STALI WĘGLOWYCH

1. Wstęp teoretyczny

Na powyższym układzie żelazo - cementyt występują ważne punkty charakterystyczne:

• Przemiana eutektyczna przy składzie 4,3% C i temperaturze 1143 ^oC

• Przemiana eutektoidalna przy zaw. 0,77% C i w temp. 722 ^oC

• Przemiana perytekyczna przy składzie 0,17 %C i w temp. 1495 ^oC

Zachodzenie przemiany perytektycznej i eutektoidalnej spowodowane jest zmianą odmian alotropowych żelaza.

• Do ok. 910 ^oC żelazo istnieje jako odmiana alotropowa α o sieci RPC

• Pomiędzy 910 ^oC a 1394 ^oC jako odmiana γ o sieci RSC

• Powyżej 1394 ^oC jako ponownie jako odmiana α (oznaczana δ)

Do najważniejszych faz występujących w układzie zaliczamy:

• Ferryt - roztwór stały węgla w żelazie α o zawartości max 0,02 % wag. C

• Austenit - roztwór stały węgla w żelazie γ o zawartości max 2,11 % C

• Cementyt - węglik złożony Fe₃C o strukturze zbliżonej do rombowej

- Cementyt I rzędowy - wydziela się z cieczy wskutek zmiennej rozpuszczalności węgla

- Cementyt II rzędowy (wtórny) - wydziela w stanie stałym się z austenitu wskutek malejącej rozpuszczalności węgla w tym roztworze stałym.

- Cementyt III rzędowy - wydziela się w stanie stałym wskutek malejącej rozpuszczalności węgla w ferrycie.

• Perlit - mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu powstająca w wyniku przemiany eutektoidalnej przy składzie 0,77%C, poniżej temperatury 727 ^oC

• Ledeburyt - mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu, zawierająca 4,3%C trwala w zakresie 727 do 1148^oC.

• Ledeburyt przemieniony - mieszanina perlitu i cementytu trwała poniżej 727 ^oC

W stali nagrzanej do odpowiednio wysokiej temperatury w której istnieje austenit, tzw. temperatury austenityzowania podczas wolnego chłodzenia zachodzą przemiany zgodne z wykresem równowagi żelazo-cementyt. Znacznie większe szybkości chłodzenia mogą spowodować zajście innych przemian. Zależnie od szybkości chłodzenia w stali mogą zajść przemiany:

• Perlityczna (podczas wolnego chłodzenia)

• Martenzytyczna

• Bainityczna

Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu, i szybkości chłodzenia większej niż krytyczna. W wyniku zahamowania dyfuzji przy jednoczesnej dużej sile pędnej przemiany powstaje martenzyt - silnie przesycony roztwór węgla w żelazie α. Proces technologiczny w wyniku którego otrzymuje się strukturę martenzytyczną, polegający na nagrzaniu do temperatury austenityzowania i szybkim ochłodzeniu przez wrzucenie do wody bądź oleju nosi nazwę hartowania stali. Stal zahartowana cechuje się bardzo dużą twardością, przy jednoczesnej skłonności do pękania kruchego, i bardzo małej plastyczności. Silne naprężenia powstające podczas przemiany mogą spowodować nawet odkształcenie hartowanych przedmiotów. Podatność stali na hartowanie określa się jako tzw. hartowność, mówiącą jak głęboko badana próbka ulega zahartowaniu.

Celem zlikwidowania wad powstających w procesie hartowania, tj. skłonności do pękania, odkształceń hartowniczych, itd. przeprowadza się proces odpuszczania.

• Odpuszczanie niskie w zakresie temperatur 150 do 250 ^oC związane jest z rozpadem martenzytu i wydzielaniem węglika Fe₃C o strukturze heksagonalnej. Celem jego jest usuniecie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu w strukturze wysokiego udziału martenzytu, a przez to zachowanie wysokiej twardości Stosuje się przy narzędziach.

• Odpuszczanie średnie w zakresie temperatur 250 do 500 ^oC powoduje przemianę martenzytu w austenit odpuszczony, a także rozpuszczaniu się węglika ε i niezależne wydzielanie się cementytu Stosowane jest w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy znacznym obniżeniu twardości. Stosowane przy obróbce sprężyn, resorów części mechanizmów pracujących na uderzenie np. młoty, części samochodowe, itd.

Odpuszczanie wysokie powyżej 500 ^oC powoduje koagulację wydzielonych cząstek, rozpuszczanie się cząstek małych, wzrost niektórych cząstek cementytu. Towarzyszy temu sferoidyzacja - cząstki cementytu przyjmują strukturę kulistą. Uzyskuje się tzw. martenzyt wysokoodpuszczony (sorbit) złożony z bardzo drobnych kulistych cząstek cementytu w osnowie ferrytu. W temperaturze wyższej od ok. 600 ^oC następuje koagulacja cementytu, z rekrystalizacją i zdrowieniem osnowy. Uzyskuje się strukturę cementytu kulkowego tzw. sferoidytu. Odpuszczanie wysokie stosuje się w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal taka nadaje się do obróbki skrawaniem.

Procesy hartowania i odpuszczania zastosowane po sobie noszą nazwę ulepszania cieplnego.

2. Wykonanie ćwiczenia

Do ćwiczenia przygotowano 6 próbek wykonanych ze stali węglowej i przygotowanych do wykonania na nich pomiarów twardości, a następnie próby udarności (karb U - próbka Mesnagera, przekrój 1cm²).

• Próbka 1 - nie poddana obróbce cieplnej

• Próbki 2,3,4,5,6 wytrzymano przez 20 minut w piecu o temp. 860 ^oC.

Następnie próbkę 2 ostudzono na powietrzu, a próbki 3,4,5,6 zahartowano przez wrzucenie do wody.

• Próbkę 3 - po hartowaniu poddano badaniom

• Próbkę 4 - poddano odpuszczaniu niskiemu w 150 ^oC, wystudzono i poddano badaniom

• Próbkę 5 - odpuszczono w T = 500 ^oC

• Próbkę 6 - odpuszczono w T = 740 ^oC (odpuszczanie wysokie)

Czas odpuszczania wynosił za każdym razem 20 minut.

3. Wyniki pomiarów

Wyniki zebrano w tabelach:

1. Pomiary twardości

Numer próbki
twardość HRA	1	2	3	4	5	6
pomiar 1	48	60	82	76	70	59
pomiar 2	52	59	75	78	69	58
pomiar 3	53	72	74	77	71	58
pomiar 4	49	62	75	77	74	62
pomiar 5	52	60	76	78	68	58
pomiar 6	52	59	80	78	73	58
pomiar 7	55	58	80	78	73	59
pomiar 8	55	55	82	78	70	58
pomiar 9	56	54	82	78	71	56
pomiar 10	55	59	77	79	68	58
HRA średnie	52,7	59,8	78,3	77,7	70,7	58,4

2. Pomiary udarności

Numer próbki	1	2	3	4	5	6
Udarność [kGm]	3,5	5,0	0,2	0,6	6,3	9,4

Na podstawie otrzymanych wyników sporządzono wykresy:

Wnioski:

Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń możemy zaobserwować zachodzenie procesów i przemian omówionych we wstępie teoretycznym. Wytrzymanie próbki w temp. 860 ^oC i jej powolne ostudzenie powoduje poprawę plastyczności i jednoczesny niewielki wzrost twardości. Następnie badano próbki zahartowane: Próbka zahartowana i nie poddana dalszej obróbce (3) ma bardzo dużą twardość, lecz jej udarność jest skrajnie mała - materiał pęka krucho praktycznie bez odkształcenia plastycznego. Odpuszczenie niskie zahartowanej (4) powoduje nieznaczny wzrost udarności i spadek twardości. Odpuszczenie w temperaturze 500 ^oC powoduje spadek twardości, i wzrost udarności, obie wartości są większe niż w przypadku próbki nie poddanej obróbce. Odpuszczenie w temp. 740 ^oC powoduje, że twardość materiału jest tylko nieznacznie wyższa od materiału wyjściowego, jednak ma on bardzo dużą udarność, o wiele większą niż nie poddany obróbce.

---