Cel ćwiczenia:
Poznanie struktur stali konstrukcyjnych po procesach obróbki cieplnej, których skutkiem jest wzrost właściwości wytrzymałościowych. Umiejętność doboru parametrów obróbki cieplnej (hartowania i odpuszczania) stali konstrukcyjnych. Charakterystyka przemiany martenzytycznej i bainitycznej.
Wstęp:
Hartowanie jest obróbką cieplną, polegającą na nagrzaniu elementu do temperatury 30÷50°C powyżej AC3 - AC1 (austenityzowanie), wygrzaniu w tej temperaturze i następnie oziębieniu wsadu w celu otrzymania struktury martenzytycznej lub bainitycznej, odznaczającej się wyższą niż w stanie wyjściowym twardością i wytrzymałością oraz mniejszą plastycznością. Dla uzyskania poprawnych wyników hartowania konieczne jest dotrzymanie odpowiednich warunków (parametrów hartowania) do których należą: temperatura austenityzowania, czas grzania, szybkość chłodzenia. Temperatura hartowania zleży od składu chemicznego stali, a zwłaszcza od zawartości węgla (Rys. 1).
Ze względu na otrzymaną strukturę po hartowaniu rozróżniamy: hartowanie martenzytyczne (z zastosowaniem oziębiania z szybkością większą od krytycznej w celu wytworzenia martenzytu jako przeważającego składnika strukturalnego) i hartowanie bainitycznej (z zastosowaniem oziębiania z szybkością mniejszą do krytycznej w celu wytworzenia bainitu jako przeważającego składnika strukturalnego).
Martenzyt jest to przesycony roztwór stały węgla w żelazie α o sieci tetragonalnej. Natomiast bainit jest to mieszanina ferrytu częściowo przesyconego węglem i cementytu o dużym stopniu dyspersji.
Ze względu na sposób chłodzenia rozróżniamy: hartowanie zwykłe (martenzytyczne lub bainityczne - chłodzenie z prędkością krytyczną), hartowanie stopniowe (martenzytyczne - chłodzenie z prędkością krytyczną do temperatury nieco powyżej MS, wytrzymanie w tej temperaturze w czasie niezbędnym do wyrównania temperatur na powierzchni i rdzeniu, a następnie schłodzeniu do temperatury otoczenia) i hartowanie izotermiczne (bainityczne -chłodzenie z prędkością krytyczną do wybranej temperatury przemiany izotermicznej wyższej od MS, wytrzymanie w tej temperaturze od początku do końca przemiany austenitu i schłodzenie do temperatury otoczenia).
Każda z odmian chłodzenia prowadzi do różnych wartości naprężeń w przedmiotach hartowanych. Największe naprężeni występują przy chłodzeniu ciągłym, mniejsze przy stopniowym i zupełnie nieznaczne przy izotermicznym. W celu usunięcia tych niepożądanych naprężeń stosuje się odpuszczanie.
Odpuszczanie jest to operacja obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu i wygrzaniu zahartowanej stali w temperaturze poniżej AC1 oraz powolnym studzeniu zwykle w powietrzu. Jest ono stosowane również w celu polepszenia własności plastycznych elementów. W zależności od temperatury rozróżnia się odpuszczanie: niskie (100÷250°C), średnie (250÷500°C) i wysokie (450÷650°C). Odpuszczanie niskie stosowane jest głównie do narzędzi, które powinna cechować wysoka twardość i odporność na ścieranie. Zabieg hartowania z następnym niskim odpuszczeniem zwany jest utwardzaniem cieplnym. Twardość materiału zawiera się w granicach 54÷64 HRC. Odpuszczanie średnie stosuje się głównie do stali sprężynowych, w celu uzyskania wysokiej granicy sprężystości przy dostatecznej plastyczności i zachowaniu twardości rzędu 40÷50 HRC. Odpuszczanie wysokie umożliwia uzyskanie optymalnych własności (najkorzystniejszego stosunku właściwości mechanicznych do plastycznych). Zabieg hartowania z następnym wysokim odpuszczeniem zwany jest ulepszaniem cieplnym.
Metodyka badań:
W ćwiczeniu badano zgłady poddane hartowaniu i wytrawione NITALEM. Obserwacji dokonano mikroskopem przy stałym powiększeniu równym 400x, obliczonym ze wzoru:
Wnioski:
Austenityzowanie stali podeutektoidalnych przeprowadza się w temperaturach wyższych od AC3, następnie stal chłodzi się z prędkością większą od krytycznej. Nagrzanie stali podeutektoidalnej 30÷50°C powyżej temperatury AC3 jest konieczne do uzyskania jednorodnej struktury austenitycznej. Niedogrzanie powoduje niecałkowitą przemianę na austenit i po zahartowaniu otrzymuje się strukturę tylko częściowo zamienioną na martenzyt. Stale nadeutektoidalne nagrzewa się przy hartowaniu 30÷50°C powyżej AC1 i to niezależnie od zawartości węgla. W stalach tych znajduje się cementyt wtórny, którego rozpuszczanie jest niecelowe, gdyż prowadzi do obniżenia twardości na skutek ilości austenitu szczątkowego. Cementyt jest najtwardszym składnikiem strukturalnym stali i osadzony w twardym podłożu martenzytycznym zwiększa ogólną twardość, a zwłaszcza odporność na ścieranie.
Błędy przy doborze lub dotrzymaniu temperatury austenityzacji są przyczyną niepowodzenia całej obróbki cieplnej.
Czas wygrzewania zależy od składu chemicznego stali, wymiarów hartowanego przedmiotu i warunków nagrzewania, rodzaju pieca, ośrodka grzewczego itp. Czas ten musi być tak dobrany, aby w całym przekroju materiału powstał austenit. Wygrzewanie należy przeprowadzać w zasadzie w atmosferze obojętnej, aby nie mogło zachodzić odwęglanie czy utlenianie stali.
Jednym z ważniejszych parametrów procesu hartowania jest szybkość chłodzenia, zależna od użytego ośrodka chłodzącego. Powinien on być tak dobrany, aby szybkość chłodzenia była większa od szybkości krytycznej (czyli najmniejszej szybkości chłodzenia, przy której powstaje sam martenzyt). Różnica między tymi dwoma szybkościami musi być niewielka, gdyż im szybciej chłodzone są przedmioty, tym istnieje większa możliwość powstania naprężeń hartowniczych. Szybkie chłodzenie podczas hartowania jest konieczne tylko w granicach minimalnej trwałości austenitu (to jest przy 650÷400°C), gdyż w tym zakresie temperatur austenit ulega bardzo szybkiej przemianie. Powyżej 650°C i poniżej 400°C trwałość przechłodzonego austenitu jest dość znaczna, co pozwala na powolniejsze chłodzenie.
Przemiana martenzytyczna przebiega przez zarodkowanie i bardzo szybki wzrost płytek martenzytu w obrębie ziarn, z czego wynika, że z drobnoziarnistego austenitu powstanie drobnoiglasty martenzyt, a z gruboziarnistego - gruboiglasty martenzyt. Nowe zarodki martenzytu powstają tylko przy obniżaniu temperatury i rozrastają się kosztem austenitu, dzieląc go na coraz mniejsze obszary, coraz mniejszymi płytkami martenzytu, przy czym w każdym ziarnie płytki ułożone są względem siebie pod kątem 60° i 120°, co wynika z zależności orientacji sieci krystalicznych martenzytu i austenitu.
Martenzyt ma większą objętość właściwą o około 1,5% niż austenit, dlatego w miarę postępu przemiany pozostału austenit podlega coraz większym naprężeniom ściskającym hamującym przemianę, aż do jej całkowitego ustania.
Temperatury M.S i Mf zależą od zawartości węgla w austenicie (im więcej węgla, tym są one niższe). Przy zawartości powyżej około 0,6% temperatura M.f jest niższa od 0°C, co oznacza, że po zakończeniu chłodzenia pewna część austenitu nie ulegnie przemianie. Określa się ją jako austenit szczątkowy. Jego ilość zwiększa się wraz z ze wzrostem zawartości węgla i można go usunąć przez wymrażanie (ochłodzenie przedmiotu do temperatury poniżej 0°C zaraz po hartowaniu).
Stale węglowe można hartować tylko w przypadku małych przekrojów, ponieważ w większych przekrojach uzyskuje się strukturę martenzytyczną jedynie w warstwach powierzchniowych, których granicę tworzą punkty przekroju chłodzone z szybkością równą krytycznej szybkości chłodzenia. W obszarze przekroju położonym bliżej środka wystąpią również struktury niemartenzytyczne (bainit, ferryt, perlit). Stale węglowe są więc stalami o małej hartowności (zdolności do hartowania się w głąb na strukturę martenzytyczną).
Krytyczna szybkość chłodzenia dla stali węglowych zależy od zawartości węgla. Duże jej wartości dla stali niskowęglowych są podstawową przyczyną, że się ich nie hartuje. Zwiększanie zawartości węgla w stali do około 0,8 % wymaga coraz mniejszych szybkości chłodzenia dla stali zahartowanych. Powyżej tej wartości krytyczna prędkość zwiększa się, gdyż występujący obok austenitu cementyt wtórny stanowi zarodki krystalizacji, przyspieszając przemianę austenitu przechłodzonego.
Podczas hartowania zwykłego powstają duże naprężenia, ze względu na duże różnice temperatur między rdzeniem i warstwą powierzchniową, które prowadzą do deformacji obrabianego przedmiotu, a niekiedy nawet do pęknięć.
Przy hartowaniu stopniowym czas przestoju powinien być niezbyt długi, aby nie zapoczątkować przemiany bainitycznej. Dzięki wyrównaniu temperatury na całym przekroju elementu i bardzo powolnym chłodzeniu (na powietrzu), po wytrzymaniu izotermicznym, w przekroju elementu znikają naprężenia termiczne oraz zmniejsza się skłonność do pękania. Przemiana martenzytyczna zachodzi wówczas niemal na całym przekroju. Hartowanie stopniowe wymaga następnie odpuszczania.
1
- 2 -