Wydział IMiIP	Imię i nazwisko Konrad Rugała	Rok II	Grupa 13	Nr ćwiczenia 2
Temat: Badanie wpływu obróbki cieplnej na strukturę i własności stali	Data wykonania 30.04.2014	Data oddania 07.05.2014
	Ocena:

1. Wstęp

Obróbka cieplna jest to zbiorcza nazwa dla obróbki materiałów metalowych. Jej celem jest zmiana własności fizycznych, takich jak plastyczność, twardość czy skrawalność. Polega na nagrzewaniu i chłodzeniu stopów do konkretnych temperatur i z określoną szybkością. W wyniku tych operacji materiał zmienia swoją strukturę przez co jego własności zmieniają się. W obróbce cieplnej możemy wyróżnić:

• Hartowanie – polega na nagrzaniu stopu do 30-50⁰C powyżej temperatury przemiany austenitycznej stali a następnie na schłodzeniu go z prędkością wyższą niż minimalna prędkość przemiany martenzytycznej. Uzyskana w ten sposób struktura martenzytyczna jest bardzo twarda jednak krucha. Podczas hartowania powstają naprężenia hartownicze wynikające z faktu, że martenzyt ma większą objętość niż inne fazy stali.

Zdjęcie przedstawia strukturę hartowanej stali. Martenzyt widzimy tu w postaci białych igieł. Czarna faza to austenit szczątkowy, który nie uległ przemianie martenzytycznej ze względu na brak miejsca (igły martenzytu zablokowały tą możliwość).

• Odpuszczanie – odpuszczanie jest to wygrzewanie stali hartowanej poniżej temperatury przemiany austenitycznej a następnie powolne jej chłodzenie. Celem tego zabiegu jest usunięcie naprężeń hartowniczych, które mogłyby prowadzić do pęknięć oraz zmiana niektórych własności stali (zwiększenie udarności i plastyczności kosztem twardości). Wyróżniamy odpuszczanie:

  • Niskie – wykonywane w temp 150-250⁰C. Podczas tej obróbki z martenzytu wydziela się węglik ε (Fe_2,4C) powoduje to zmniejszenie naprężeń hartowniczych. Martenzyt zmniejsza swoją objętość przez co austenit szczątkowy może ulec przemianie. W niektórych stalach stopowych odpuszczanie niskie powoduje niewielkie zwiększenie twardości.

  • Średnie – wykonywane w temp 250-500⁰C. Z martenzytu dalej wydzielany jest węglik epsilon. Powyżej temperatury 300⁰C węglik ten jest całkiem wydzielony i ulega on przemianie w cementyt. Cementyt pożyj 400⁰C zaczyna łączyć się w coraz większe ziarna. Tak odpuszczona stal jest wykorzystywana przy produkcji sprężyn czy resorów gdyż jest ona sprężysta a jednocześnie bardzo wytrzymała.

  • Wysokie – wykonywane w temp powyżej 500⁰C. Cementyt w tej temperaturze łączy się w coraz większe ziarna oraz nabiera kształt kulisty przez co stop traci swoją twardość jednak zyskuje wysoką skrawalność.

• Wyżarzanie – polega na nagrzewaniu stali, a następnie powolnym jej chłodzeniu by uzyskać skład chemiczny i strukturę zbliżoną do układu równowagi.

• Przesycanie – jest to obróbka podobna do hartowania. Stal jest podgrzewana do temperatury przemiany austenitycznej a następnie szybko chłodzona. Chłodzenie jest jednak wolniejsze niż przy hartowaniu by nie uzyskać struktury martenzytycznej. Zabieg ten jest wykonywany w celu stabilizacji austenitu co uodparnia stop na korozję.

• Starzenie – nagrzewanie stopu poniżej temperatury topnienia drugiego składnika. W wyniku postarzania uzyskuje się zwiększoną twardość kosztem plastyczności stopu.

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się z wybranymi rodzajami obróbki cieplnej oraz zbadanie wpływu obróbki cieplnej na strukturę i własności stali C45. Skład chemiczny stali C45 (źródło: www.multistal.pl):

C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	W	V	Al	Cu
0,42-0,5	0,5-0,8	0,1-0,4	max 0,04	max 0,04	max 0,3	max 0,3	max 0,1	-	-	-	max 0,3

1. Przebieg ćwiczenia

W pierwszej kolejności należało sprawdzić twardość próbek przy użyciu maszyny Rockwella. W celu oszczędzenia czasu zajęć wartość ta została podana przez prowadzącego i wynosiła 215HB. Następnie 6 próbek zostało umieszczone w piecach i ochłodzone

• Próbka 1: Nagrzana przez 20 minut w 650⁰C schłodzona w wodzie.

• Próbka 2: Nagrzana przez 20 minut w 750⁰C schłodzona w wodzie.

• Próbki 3,4,5: Nagrzane przez 20 minut w 850⁰C schłodzone w wodzie.

• Próbka 6: Nagrzana przez 20 minut w 850⁰C schłodzona na powietrzu.

Po wykonaniu powyższych zabiegów z próbek została usunięta zgorzelina oraz została zmierzona twardość przy użyciu maszyny Rockwella, trzykrotnie dla każdej próbki.

Kolejnym zadaniem było wykonanie odpuszczania. Do tego zadania zostały wybrane tylko zahartowane próbki:

• Próbka 3: Nagrzana przez 30 minut w 300⁰C.

• Próbka 4: Nagrzana przez 30 minut w 500⁰C.

• Próbka 5: Nagrzana przez 30 minut w 650⁰C.

Próbki zostały ostudzone na powietrzu, a następnie została usunięta z nich zgorzelina i zmierzona twardość. Twardość została zmierzona trzykrotnie na każdej próbce.

1. Wyniki

numer próbki	temperatura wyżarzania	ośrodek chłodzenia	Średnia twardość po hartowaniu HB	temperatura odpuszczania	Średnia twardość po odpuszczaniu HB
1	650⁰C	woda	216	-	-
2	750⁰C	woda	546	-	-
3	850⁰C	woda	572	300	447
4	850⁰C	woda		500	301
5	850⁰C	woda		650	216
6	850⁰C	powietrze	231	-	-

1. Wnioski

Własności stali możemy zmieniać poddając ją obróbce cieplnej. Nagrzewanie jej do różnych temperatur i jej chłodzenie może znacząco wpłynąć na cechy takie jak twardość, udarność, sprężystość, plastyczność oraz inne własności.

Próbka jeden została nagrzana w temperaturze 650⁰C co jest znacząco poniżej przemiany austenitycznej. Nie został więc spełniony pierwszy wymóg hartowania przez co twardość próbki się nie zmieniła.

Przy próbce 2 widzimy już znaczący wzrost twardości. Przy temperaturze 750⁰C uzyskujemy fazy ferrytu i austenitu. Taka próbka po szybkim schłodzeniu ulega częściowemu zahartowaniu. Wysoki wynik twardości jest spowodowany prawdopodobnym przegrzewaniem piecyka. Twardość ta powinna mieć wartość rzędu 300-400HB.

Próbki 3, 4 i 5 uległy zahartowaniu. Ich twardość wzrosła gdyż podczas szybkiego chłodzenia węgiel nie zdążył się wydzielić z austenitu. W ten sposób powstała bardzo twarda, przesycona węglem faza martenzytyczna. Próbki te zostały odpuszczone w różnych temperaturach. Im wyższa temperatura odpuszczania tym większy spadek twardości. Spowodowane to zostało przemianami, które opisałem na wstępie.

Ostatnia próbka natomiast została schłodzona na powietrzu, przez co prędkość utraty temperatury była znacznie wyższa niż w próbkach 3-5. Wzrost twardości jest nieznaczny. Spowodowane to może być uporządkowaniem i zwiększeniem się ziaren perlitu i cementytu. Mało prawdopodobne jest by w próbce powstał bainit, czyli ferryt przesycony węglem, gdzie węgiel uległ częściowej dyfuzji na zewnątrz ferrytu.