background image

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 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)

(+!)

background image

(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), 

(+!)

background image

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)

background image

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)

background image

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)

background image

(www.kawaci.zaq.ne.jp)

x400

x700

(A. Krajczyk)

troostyt odpuszczania

stal średniowęglowa (ok. 04%C)

background image

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

)

background image

sorbit odpuszczania

(stal niskostopowa 0,4%C)

(A. Krajczyk)

700x

1400x

cementyt

background image

sorbit odpuszczania

(stal niestopowa 0,25%C)

(A. Krajczyk)

150x

600x

cementyt

background image

(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

background image

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)

background image

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)

background image

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,

background image

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,

background image

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,

(+)

background image

v

kr

>

 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),

background image

● 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

 ,

(+)

background image

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, 

(+)

background image

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

(-+)

background image

● 

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 

(=

)

(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)

– współczynnik 
      intensywności 
      chłodzenia

background image

● szczegółowa zależność miedzy idealnymi (D

 

) oraz rzeczywistymi (D

)

 średnicami krytycznymi

(Nomogram wg Grossmanna)

Idealna średnica krytyczna  D

 

 , mm

– współczynnik 
      intensywności 
      chłodzenia

(- +)

             mała   

  D

  

<

  50 mm,

         średnia  

  D

 =  50

÷

80 mm,

             duża   

  D

 =  80

÷

150 mm,

bardzo duża   

  D

  

>

  150 mm,

Hartowność stali:

background image

● 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)

background image

● 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)

background image

(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)