Przemiany odpuszczania
(przemiany dyfuzyjne po podgrzaniu zahartowanej na martenzyt stali)
● struktura wyjściowa:
martenzyt hartowania -
M
H
(przesycony ferryt tetragonalny + austenit szczątkowy)
- fazy metastabilne trwałe w temperaturze pokojowej
⇐
zamrożenie ruchliwości atomów C oraz Fe,
- struktura nie stosowana w praktyce
⇐
wysokie naprężenia własne, brak ciągliwości, kruchość,
● żądany zespół właściwości uzyskujemy po wygrzaniu (
odpuszczaniu
) w wybranej temperaturze (poniżej A
1
),
- podwyższenie temperatury
⇒
reaktywacja dyfuzji atomów C
⇒
zmiany struktury
⇒
zmiany właściwości
,
Wykres odpuszczania stali 0,35% C
Wykres odpuszczania stali 0,45% C
(L.A. Dobrzański)
(R. Haimann)
(+!)
(zmiany długości
∆
L mierzone są po ochłodzeniu próbek)
Temperatura odpuszczania
(R. Haimann)
● przemiany odpuszczania można badać i śledzić różnymi metodami:
- zmiany długości próbki (krzywe dylatometryczne) – największe znaczenie dydaktycznie,
- zmiany twardości (metoda prosta, często stosowana w praktyce),
(+!)
I stadium
– do ok.
200°C
(początek wyraźnych zmian zależy od zawartości węgla),
●
<
80 (100)°C
- przegrupowanie atomów C w martenzycie (bez tworzenia węglików),
początek relaksacji naprężeń,
● ok.
80
÷
200°C
,
- powstają węgliki przejściowe o dużej dyspersji,
- płytki (
koherentne
z tetragonalnym ferrytem),
- heksagonalny
węglik
ε
(Fe
2,4
C),
- wg ostatnich badań - rombowy węglik
η
(Fe
2
C),
- maleje przesycenie ferrytu (do ok. 0,2%C),
- maleje tetragonalność ferrytu,
- maleją naprężenia (mniejsze przesycenie + relaksacja),
● struktura:
martenzyt odpuszczania
(mieszanina lekko przesyconego iglastego ferrytu + koherentne wydzielenia węglika
ε
+ austenit szczątkowy),
(F
P
+
ε
+
γ
sz
)
- morfologia i właściwości podobne do bainitu dolnego,
(M
odp
trawi się silniej niż M
H
)
● właściwości:
- R
m
, R
0,2
, HRC nadal wysokie (prawie bez zmian)
(malejące umocnienie roztworowe zastępowane przez nowe umocnienie wydzieleniowe)
- ciągliwość (K, A, Z) nadal niewielka ale zdecydowanie wyższa niż martenzytu hartowania (M
H
),
- gęstość i rozmieszczenie dyslokacji pozostaje (przeszkadza węglik
ε
),
- austenit szczątkowy pozostaje,
(+!)
(R. Haimann)
II stadium
– ok.
200 - 300°C
(objętość rośnie
⇐
zanika austenit szczątkowy),
● przemiana austenitu szczątkowego (przemiana podobna do powstawania bainitu dolnego),
● produkty rozpadu
γ
sz
są identyczne jak w przypadku rozpadu martenzytu hartowania w I stadium,
● struktura: nadal nazywana
martenzytem odpuszczania
(mieszanina jeszcze mniej przesyconego iglastego ferrytu + koherentne wydzielenia węglika
ε
)
,
(F
P
+
ε
)
● właściwości:
- R
m
, R
0,2
, HRC - lekko maleją (wyższa temperatura, mniej przesycony ferryt, mniejsza dyspersja węglika
ε
)
- udarność (K) - od ok.
250°C
zaczyna spadać (
nieodwracalna kruchość odpuszczania
) spowodowana
przypuszczalnie prawie ciągłą otoczką węglika
ε
wzdłuż byłych granic ziaren austenitu,
- rosną ale z niższego poziomu, gdy austenitu szczątkowego było dużo (nie osiągnięta M
f
),
(+!)
Wpływ temperatury odpuszczania na
udarność stali niestopowej (0,42%C)
(ASM Handbook, T.4 – 1991)
III stadium
– ok.
300 - 400°C
(objętość maleje
⇐
zanika przesycenie ferrytu, zarodkuje cementyt),
● reszta nadmiaru węgla wydziela się z ferrytu,
● zarodkuje cementyt oraz rośnie w postaci ziarenek (niedostrzegalne mikroskopem optycznym),
- zarodkowanie cementytu w ferrycie (wykorzystanie nadmiaru C w ferrycie),
- przekształcenie płytek węglika
ε
w ziarenka cementytu (przemiana węglikowa „in situ”),
- cementyt ma mniejszą F oraz zanika koherencja węglika
ε
w regularnym już ferrycie,
● struktura:
troostyt odpuszczania
(
martenzyt średnio odpuszczony
)
(mieszanina iglastego, pomartenzytycznego ferrytu + niekoherentne ziarenka cementytu
)
,
(F
igl
+ Fe
3
C)
● właściwości:
- R
m
, R
0,2
, HRC - szybko maleją
(wartości jednak nadal dość wysokie),
- struktura trawi się silnie i szybko ciemnieje, cementyt ziarnisty (zbyt drobny dla mikroskopu optycznego)
- ciągliwość (K, A, Z) – wolno rośnie
(wartości jednak nadal dość niskie),
(+!)
(R. Haimann)
(www.kawaci.zaq.ne.jp)
x400
x700
(A. Krajczyk)
troostyt odpuszczania
stal średniowęglowa (ok. 04%C)
IV stadium
– ok.
400°C
÷
A
1
(koagulacja cementytu oraz rekrystalizacja zgniotu fazowego),
● ziarenka cementytu koagulują – stają się widoczne przy powiększeniach mikroskopu optycznego (
>
500x),
● nieprzesycony ferryt do temperatury ok.
650°C
zachowuje iglasty pomartenzytyczny kształt,
- ruch granic ferrytu (rekrystalizacja) jest blokowany wydzieleniami drobnego cementytu,
- zgniot fazowy podlega tylko procesom zdrowienia,
● powyżej ok.
650°C
następuje ruch granic szerokokątowych – rosną nowe równoosiowe ziarna ferrytu,
- ruch granic ferrytu umożliwia dopiero odpowiednio wysoki stopień koagulacji cementytu,
● struktura:
- do ok.
650°C
⇒
sorbit odpuszczania
(
martenzyt wysoko odpuszczony
)
(mieszanina iglastego, pomartenzytycznego ferrytu + skoagulowane ziarenka cementytu
)
,
-powyżej
650°C
⇒
sferoidyt
- po długotrwałym wyżarzaniu
(mieszanina kulkowego cementytu na tle zrekrystalizowanego ferrytu)
● właściwości sorbitu odpuszczania (
optymalne skojarzenie wytrzymałości oraz ciągliwości
):
- parametry wytrzymałościowe (R
m
, R
0,2
) – zdecydowanie wyższe niż dla stanu przed hartowaniem,
- ciągliwość (K, A, Z) – nie gorsza a najczęściej wyższa niż dla stanu wyjściowego (przed hartowaniem),
- twardość (ok. 23
÷
35 HRC) umożliwia jeszcze stosunkowo łatwe skrawanie,
●
sorbit odpuszczania jest najczęściej stosowaną strukturą w częściach maszyn
,
(+!)
(
F
igl
+ Fe
3
C
)
sorbit odpuszczania
(stal niskostopowa 0,4%C)
(A. Krajczyk)
700x
1400x
cementyt
sorbit odpuszczania
(stal niestopowa 0,25%C)
(A. Krajczyk)
150x
600x
cementyt
(H.K.D.H. Bhadeshia)
(H.K.D.H. Bhadeshia)
(A. Krajczyk)
TEM
sferoidyt
(na przykładzie stali narzędziowych, ok. 1%C)
po wyżarzaniu zmiękczającym - tuż poniżej A
1
,
(bez hartowania)
po hartowaniu oraz odpuszczaniu w 700°C
(+ -)
cementyt
(
160-250
)
HB
Wybrane zagadnienia technologii obróbki cieplnej
1. Temperatury nagrzewania przed hartowaniem stali.
Twardość zahartowanej stali: a) twardość martenzytu,
b)
hartowanie znad A
cm
,
c)
hartowanie znad A
1
,
● stale przedeutektoidalne: 30 (h. w wodzie)
÷
50 (h. w oleju) °C nad A
3
,
● stale zaeutektoidalne: 30 (woda)
÷
50 (olej) °C nad A
1
(w celu uniknięcia dużej ilości
γ
sz
)
-
ale wcześniej odpowiednia postać Fe
3
C
II
(najlepiej sferoidyt),
- unikamy konieczności usuwania
γ
sz
co wiązałoby się z obniżeniem twardości,
- mniejsze naprężenia własne (niższa temperatura),
(+!!)
- Fe
3
C
II
podwyższa odporność na ścieranie,
(R. Haimann)
prawidłowa struktura stali
zaeutektoidalnej po OC
(twarda i odporna na ścieranie po
hartowaniu znad A
1
oraz
odpuszczaniu niskim (do 250°C)
300x
1200x
Fe
3
C
II
(A. Krajczyk)
2. Sposoby hartowania objętościowego.
● problemem jest różnica temperatur powierzchni i rdzenia
⇒
naprężenia cieplne
+
naprężenia po przemianie martenzytycznej,
Schemat
hartowania zwykłego
.
- duże naprężenia cieplne (I rodzaju) + naprężenia
wynikające z przemiany martenzytycznej (II i III rodzaju),
- przedmioty o nieskomplikowanym kształcie,
- zaletą jest prostota i łatwa możliwość mechanizacji,
- można zastosować podchładzanie (początkowe
chłodzenie na powietrzu) –
hartowanie z podchładzaniem
,
(+)
Schemat
hartowania w dwóch ośrodkach
(hartowanie przerywane)
- przedmiot wyjmuje się z wody gdy powierzchnia
ma ok. 300°C i przenosi do oleju,
- wadą jest trudność ustalenia czasu przeniesienia,
(R. Haimann)
(M. Blicharski)
- zaletą są mniejsze naprężenia własne,
Schemat
hartowania stopniowego
.
- pozwala uniknąć naprężeń cieplnych (I rodzaju),
- oziębianie przedmiotów w stopionych solach (
>
M
S
),
- wadą jest mała intensywność chłodzenia kąpieli,
wymagająca stali o większej hartowności,
Schemat
hartowania izotemicznego
(bainitycznego)
- w wielu stalach jedyny sposób uzyskania struktury
bainitycznej,
- mniejsze naprężenia własne,
- wyższa ciągliwość,
- mniej austenitu szczątkowego,
(+)
- wadą jest mała intensywność chłodzenia kąpieli,
wymagająca stali o większej hartowności,
(M. Blicharski)
- najczęściej nie wymaga odpuszczania,
3. Hartowność oraz sposoby jej oznaczania.
● o właściwościach stali w stanie zahartowanym decydują dwie cechy:
●
hartowność
– ogólnie: zdolność materiału do utwardzania się w głąb w wyniku oziębiania,
- dla stali:
zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej podczas chłodzenia od temperatury
austenityzowania (
miarą hartowności jest grubość warstwy zahartowanej
) – PN-93/H-01200,
-
utwardzalność
– podatność stali na hartowanie mierzona maksymalną twardością po hartowaniu,
- warunki austenityzowania (temperatura różna dla stali przed- oraz zaeutektoidalnych),
- stężenia węgla w austenicie,
- obecność oraz stężenie dodatków stopowych,
-
hartowność
(używa się też określenia
„przehartowalność”
) - zależy od:
- składu chemicznego ( rośnie z zawartością C oraz pierwiastków stopowych – główny cel ich stosowania),
- wielkości ziaren (im większe ziarna tym większa hartowność –
tego nie wykorzystujemy !!),
- jednorodności austenitu (im bardziej jednorodny tym większa hartowność),
- obecności nierozpuszczonych faz (obniżają hartowność
⇐
ułatwiają zarodkowanie i przemiany
dyfuzyjne).
● hartowność jest głównym
kryterium doboru
stali, np. maszynowych, sprężynowych, narzędziowych,
- wysoka hartowność (kosztowna
⇐
dodatki stopowe) jest konieczna gdy:
- przedmiot ma tak skomplikowany kształt, że musi być wolno chłodzony przy hartowaniu,
- chcemy zahartować przedmiot odpowiednio głęboko,
(+)
v
kr
v
>
v
k
r
strefa
niezahartowana
całkowicie
strefa
zahartowana
na martenzyt
strefa
zahartowana
na martenzyt
v
rdzenia
(v
<
v
kr
)
v
powierzchni
A
1
M
s
v
kr
v
rdzenia
v
pow
Czas
● na przekroju hartowanego pręta występują różne prędkości chłodzenia,
- miarą głębokości pełnego zahartowania jest
krytyczna szybkość hartowania
(
v
kr
),
- parametr ten (v
kr
) jest zbyt trudny do wykorzystania w praktyce,
- dla ułatwienia wprowadzono pojęcie
średnicy krytycznej
Wpływ zawartości węgla na
krytyczną szybkość hartowania,
(+)
(opracowano proste i powtarzalne metody jej wyznaczania),
● chłodzone pręty ze stali o małej, średniej oraz dużej hartowności,
średnica krytyczna D
100
(L.A. Dobrzański)
-średnica krytyczna D
n
- średnica pręta zahartowanego w określonych warunkach chłodzenia,
- w osi pręta struktura składa się z
n %
martenzytu, np.
D
50
, D
80
, D
99,9
,
(+)
strefa półmartenzytyczna
Wpływ zawartości węgla na twardość strefy
półmartenzytycznej w stalach.
Dla części silnie obciążonych, w których strefa
półmartenzytyczna w rdzeniu jest niedopuszczalna
można określać strefy o większej zawartości martenzytu,
wykorzystując odpowiednie wykresy doświadczalne.
(A. Krajczyk)
● najłatwiej określić głębokość, na której występuje
50% martenzytu (D
50
)
- metodą pomiaru twardości,
- poprzez obserwacje mikroskopowe,
(+)
Krzywe rozkładu twardości na przekroju prętów o różnej średnicy
(stal 0,3% C oraz 3% Ni, hartowana w wodzie)
(R. Haimann)
● przykład wyznaczania średnicy krytycznej D
50
metodą krzywych U,
- metoda historyczna, pracochłonna (nie stosowana obecnie w praktyce),
50
50
(-+)
●
średnica krytyczna D
k
(najczęściej jako D
50
) dotyczy
określonego ośrodka chłodzącego
wraz z
określoną
intensywności poruszania
w tym ośrodku (
H
)
● wprowadzono pojęcie
idealnej średnicy krytycznej
D
∞
⇐
w
idealnym ośrodku chłodzącym
(H =
∞
)
(miara hartowności niezależna od warunków chłodzenia jako umowny poziom odniesienia)
(+)
Uproszczony schemat nomogramu, np. do określania idealnej średnicy krytycznej
lub średnic krytycznych w różnych ośrodkach
(według Grossmana)
H – współczynnik
intensywności
chłodzenia
● szczegółowa zależność miedzy idealnymi (D
∞
) oraz rzeczywistymi (D
k )
średnicami krytycznymi
(Nomogram wg Grossmanna)
Idealna średnica krytyczna D
∞
, mm
H – współczynnik
intensywności
chłodzenia
(- +)
mała
⇒
D
∞
<
50 mm,
średnia
⇒
D
∞
= 50
÷
80 mm,
duża
⇒
D
∞
= 80
÷
150 mm,
bardzo duża
⇒
D
∞
>
150 mm,
Hartowność stali:
● określanie hartowności metodą chłodzenia od czoła –
metoda Jominy’ego
,
- znormalizowane urządzenie, próbka oraz warunki próby
⇐
powtarzalność i dokładność wyników,
próbka dla stali
o średnich
v
kr
- założono, że szybkość chłodzenia w określonych odległościach od czoła jest jednakowa dla
większości stali niestopowych oraz niskostopowych o
średnich wartościach v
kr
- wynikiem próby jest
krzywa hartowności
, tzn. zależność: HRC = f (odległości od czoła),
1 - zbiornik z wodą,
2 - wanna,
3 - zawór,
4 - dysza wodna,
5 - przesłona,
6 - uchwyt próbki,
7 - próbka
(+)
- twardość HRC mierzona na zeszlifowanej
powierzchni bocznej próbki (wzdłuż tworzącej walca),
(L.A. Dobrzański)
● przykładowe krzywe i pasma hartowności wyznaczone w próbie Jominy’ego
twardość strefy
półmartenzytycznej
Schemat wyznaczania szybkości chłodzenia w
strefie półmartenzytycznej
⇒
D
∞
oraz D
50
(z nomogramów),
- jak optymalnie wyznaczyć D
∞
oraz D
50
?!
- optymalne wykorzystanie danej stali w konkretnym przedmiocie wymaga kontrolnych badań zakupionej
partii stali lub zamawiania u producenta wąskiego pasma hartowności
⇐
dodatkowe koszty,
21
2,7
(+)
D
∞
= 55 mm
D
∞
= 130 mm
Pasmo hartowności dla stali 35HM (35CrMo4)
(wg J.M. Hodge’a i M.A. Orehoskiego)
(R. Haimann)
Nomogram do określania krytycznych średnic idealnych
dla różnych udziałów martenzytu w środku pręta.
Twardość zahartowanej stali przy różnym
udziale martenzytu w zależności od % C.
● wpływ ilości martenzytu w środku przekroju na właściwości części maszyn,
● niejednorodna struktura na przekroju (za mało martenzytu):
- mniejsza wytrzymałość zmęczeniowa,
- mniejsza ciągliwość (udarność),
(+-)
nieprawidłowa struktura dla części
silnie i bardzo silnie obciążonych,
⇒
(niejednorodność zostaje po odpuszczaniu)