299

Opracowa³: Stanis³aw Rudnik

Æwiczenie 36

BADANIE HARTOWNOŒCI STALI

1. CEL ÆWICZENIA

Celem æwiczenia jest zbadanie hartownoœci stali niestopowej i stopowej metod¹

ch³odzenia od czo³a (tzw. próba Jominy’ego).

2. WIADOMOŒCI PODSTAWOWE

2.1. HartownoϾ stali

Pojêciem hartownoœci okreœla siê sk³onnoœæ stali do tworzenia struktury martenzy-

tycznej, przy czym za strefê zahartowan¹ przyjmuje siê strefê zawieraj¹c¹ co naj-

mniej 50% martenzytu. Twardoœæ strefy o strukturze zawieraj¹cej 50% martenzytu,

tj. tak zwanej strefy pó³martenzytycznej nosi nazwê twardoœci krytycznej.

Hartownoœæ ³¹czy siê œciœle z szybkoœci¹ ch³odzenia stali od temperatury austeni-

tyzacji. Strukturê martenzytyczn¹ uzyskuje siê przy szybkoœciach ch³odzenia wiêk-

szych lub równych szybkoœci krytycznej, tj. najmniejszej szybkoœci warunkuj¹cej two-

rzenie tylko struktury martenzytycznej. Na rys. 36.1 przedstawiono schematycznie

zmianê szybkoœci ch³odzenia na przekroju cylindrycznej próbki stalowej i zwi¹zan¹

z tym gruboœæ strefy zahartowanej. Rozwa¿aj¹c hartownoœæ jako pewn¹ „wrodzon¹”

zdolnoœæ stali do wytwarzania przy hartowaniu struktury martenzytycznej mo¿na spre-

cyzowaæ trzy podstawowe czynniki maj¹ce wp³yw na hartownoœæ:

1) sk³ad chemiczny stali,

2) jednorodnoϾ austenitu,

3) wielkoϾ ziarna austenitu.

Wêgiel i wszystkie pierwiastki stopowe, z wyj¹tkiem Co, pod warunkiem ¿e s¹

rozpuszczone w austenicie, zwiêkszaj¹ hartownoœæ stali (przesuwaj¹ linie wykresu

CTP w prawo). Przez dodatek tzw. intensyfikatorów, np. boru, tytanu, cyrkonu mo¿na

dodatkowo wp³ywaæ na zwiêkszenie hartownoœci. Najwiêkszy efekt daje odpowied-

nie wprowadzenie boru, który ju¿ przy zawartoœciach 0,002% zwiêksza g³êbokoœæ

hartowania 1,5 - 5 razy.

300

Im wiêksza jednorodnoœæ austenitu, tym wiêksza hartownoœæ stali, poniewa¿ brak

jest dodatkowych zarodków przyspieszaj¹cych rozk³ad austenitu w zakresie przemian

perlitycznych. Niejednorodnoœæ austenitu mo¿e byæ spowodowana obecnoœci¹ wtr¹-

ceñ niemetalicznych (tlenki, azotki itp.) lub wêglików. Niejednorodnoœæ mo¿e byæ po-

wodowana równie¿ brakiem wyrównania sk³adu chemicznego w objêtoœci ziarn au-

stenitu. Im wiêksze ziarno austenitu, tym wiêksza hartownoœæ. Wynika to z faktu

zmniejszania siê iloœci uprzywilejowanych miejsc zarodkowania „struktur dyfuzyjnych”,

którymi s¹ miêdzy innymi granice ziarn. Struktura gruboziarnista ma najmniejsz¹ su-

maryczn¹ powierzchniê ziarn w stosunku do struktury drobnoziarnistej i st¹d im grub-

sze ziarno austenitu, tym bardziej linie wykresu CTP przesuniête s¹ w prawo. Oprócz

omówionych czynników, na gruboœæ warstwy zahartowanej maj¹ wp³yw warunki re-

alizowania obróbki cieplnej, temperatura nagrzania, sposób grzania, rodzaj oœrodka

ch³odz¹cego (szybkoœæ ch³odzenia) oraz wielkoœæ przedmiotu i stan jego powierzchni.

Przy ocenie hartownoœci stali wprowadzono pojêcie œrednicy krytycznej (D

k

). Œredni-

ca krytyczna jest œrednic¹ najwiêkszego przekroju próbki stalowej hartuj¹cej siê na

wskroœ w danym oœrodku ch³odz¹cym. Wielkoœæ œrednicy krytycznej dla danego ga-

tunku stali wi¹¿e siê œciœle z rodzajem oœrodka ch³odz¹cego (powietrze, olej, woda).

Aby wy³¹czyæ wp³yw sposobu ch³odzenia na hartownoœæ, wprowadzono pojêcie ide-

alnej œrednicy krytycznej (oznaczonej D¥). Jest to œrednica najwiêkszego przekroju

hartuj¹cego siê na wskroœ w idealnej k¹pieli hartowniczej, odbieraj¹cej ciep³o z nie-

skoñczenie du¿¹ szybkoœci¹. Oddawanie ciep³a przez element hartowany uzale¿nione

jest w tym przypadku od jego przewodnoœci cieplnej.

œrodek

1/2r

1/2r

A1

te

m

pe

rat

ur

a

czas

Ms

powierzchnia

po

w

ie

rz

ch

ni

a

œrodek

a

b

Vkr

V ch

³o

dz

.

1. strefa zahartowana

2. strefa niezahartowana

2

1

1

Rys. 36.1.

Schematy przedstawiaj¹ce zmianê szybkoœci ch³odzenia na przekroju próbki i zwi¹zan¹ z tym g³êbo-

koϾ hartowania

301

2.2. Metody badania hartownoœci

Istniej¹ zasadnicze metody badania hartownoœci:

1) obserwacja prze³omu,

2) metoda krzywych U,

3) próba hartowania od czo³a (próba Jominy’ego).

Obserwacja prze³omu jest metod¹ warsztatow¹ ba-

dania hartownoœci. Po prze³amaniu zahartowanego prê-

ta czêœæ zahartowana ma prze³om jedwabisty, mato-

wy, natomiast czêœæ nie zahartowana jest b³yszcz¹ca.

Metodê tê stosuje siê do badania hartownoœci stali

narzêdziowych.

Metoda krzywych U polega na pomiarze twardo-

œci na przekroju zahartowanej próbki o kszta³cie cylin-

drycznym. Próbka musi mieæ wystarczaj¹c¹ d³ugoœæ,

aby mo¿na by³o pomin¹æ wp³yw ch³odzenia od po-

wierzchni czo³owych. Po zahartowaniu próbki i wy-

ci¹gniêciu z jej czêœci œrodkowej kr¹¿ka, mierzy siê

twardoœæ (HRC) na przekroju poprzecznym wzd³u¿

œrednicy w dwóch prostopad³ych kierunkach. Na wykresie rozk³ad twardoœci na prze-

kroju próbki nie zahartowanej na wskroœ (przypomina literê U, jak to przedstawia

rys. 36.2. Znaj¹c wartoœæ twardoœci krytycznej dla danego gatunku stali mo¿na roz-

graniczyæ strefê zahartowan¹ od nie zahartowanej i okreœliæ gruboœæ strefy zaharto-

wanej.

2.3. Badanie hartownoœci metod¹ ch³odzenia od czo³a

Badanie hartownoœci metod¹ od czo³a, czyli prób¹ Jominy’ego, przeprowadza siê

w oparciu o normê PN-79/H-04402. Metodê tê stosuje siê celem okreœlenia hartow-

noœci stali konstrukcyjnych, wêglowych i stopowych nie hartuj¹cych siê w powietrzu.

Badanie przeprowadza siê na próbce znormalizowanej o wymiarach podanych na

rys. 36.3.

Próbkê wykonan¹ z badanego gatunku stali wk³adamy do pieca elektrycznego

nagrzanego do temperatury Ac

3

 

÷

Ac

1

 + (30-50°C). Dla stali wêglowej temperaturê

Ac

3

ustalamy z uk³adu równowagi Fe-Fe

3

C. Aby w czasie nagrzewania zabezpieczyæ

próbkê przed odwêgleniem, wk³adamy j¹ do metalowego pude³ka i obsypujemy opi³-

kami ¿eliwnymi. G³owa próbki powinna nieco wystawaæ z opi³ek. W stalach niskowê-

glowych nie zauwa¿ono wyraŸnych skutków odwêglenia i dlatego wy¿ej opisane za-

bezpieczenie jest czasem pomijane. Wygrzewanie próbki w piecu elektrycznym powinno

trwaæ oko³o 45 minut. Po up³ywie tego czasu nale¿y chwyciæ kleszczami za g³ówkê

Rys. 36.2.

Rozk³ad twardoœci na przekroju

zahartowanej próbki

h

h

tw

ar

do

Ͼ

H

R

C

tw

ar

do

Ͼ

k

ryt

ycz

na

po

w

.

rd

ze

ñ

po

w

.

Or

Op

302

próbki, wyj¹æ z pieca i wstawiæ do uchwytu aparatu Jominy’ego. Schemat aparatu

Jominy’ego przedstawiono na rys. 36.4.

Po wstawieniu próbki do uchwytu aparatu i odsuniêciu przes³ony dyszy wodnej,

czo³o próbki jest intensywnie ch³odzone wod¹. Czas zu¿yty na wyjêcie próbki z pie-

ca i wstawienie do aparatu nie powinien przekraczaæ 5 sekund. Próbki nale¿y ch³o-

dziæ co najmniej 10 minut. Po ostygniêciu próbkê szlifujemy wzd³u¿ dwu przeciwle-

g³ych tworz¹cych, zdejmuj¹c z ka¿dej strony warstwê ok. 0,4 mm. W czasie szlifowania

nale¿y próbkê intensywnie ch³odziæ. Na oszlifowanych powierzchniach wykonujemy

pomiary twardoœci aparatem Rockwella (HRC), na d³ugoœci 20-50 mm w odstêpach co

tw

ar

do

Ͼ H

R

C

Ø

25

3

100

0

10

20

20

25

30 40 50

50

55

45

60

70 80 90

odleg³oœæ od hartowanego koñca próbki, mm

Rys. 36.3. Wymiary próbki do badañ hartownoœci od czo³a wg PN-79/H-04402

H2O

Rys. 36.4. Schemat aparatu do próby hartowania od czo³a (PN-79/H-04402)

303

2 mm od czo³a próbki. Przedstawiwszy graficznie otrzymane wyniki, stwierdzamy w mia-

rê zwiêkszania odleg³oœci od czo³a ³agodne zmniejszenie siê twardoœci stali hartuj¹cej

siê g³êboko (stal stopowa) oraz wyraŸny spadek twardoœci stali p³ytko hartuj¹cej siê

(stal wêglowa), jak to podano przyk³adowo na rys. 36.3.

Celem wyznaczenia odleg³oœci od czo³a, na której próbka uleg³a zahartowaniu (osi¹-

gnê³a twardoœæ krytyczn¹ H

k

), nale¿y wpierw z wykresu przedstawionego na rys. 36.5.

odczytaæ twardoœæ krytyczn¹ dla danego gatunku stali. Opieramy to na praktycznym

za³o¿eniu, ¿e twardoœæ martenzytu (a tak¿e strefy pó³martenzytycznej) zale¿y od za-

wartoœci wêgla. Znaj¹c twardoœæ krytyczn¹ badanej stali wyznaczamy z rys. 36.6

odleg³oœæ krytyczn¹ l

k

w mm. Dla okreœlenia œrednicy krytycznej badanej stali przy

hartowaniu w wodzie o temp. 10-25°C i w oleju o temp. 15-70°C mo¿na pos³u¿yæ siê

wykresem przedstawionym na rys. 36.6.

Z próby Jominy’ego mo¿na wiêc odczytaæ:

1) maksymaln¹ twardoœæ stali,

2) charakter zmian twardoœci, a wiêc po odpowiednim przeliczeniu inne w³asnoœci

mechaniczne,

3) œrednicê krytyczn¹ w danym oœrodku ch³odz¹cym oraz za pomoc¹ odpowiednich

monogramów idealn¹ œrednicê krytyczn¹.

0,20

0,10

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

zawartoœæ wêgla, %

20

10

30

40

50

60

70

tw

ar

do

Ͼ H

R

C

A B

C

D

E

F

stale niskostopowe

A - 99,9%

B - 95%

C - 90%

D - 80%

E - 50%

stale wêglowe

F - 50%

% ma

rte

nz

ytu

Rys. 36.5.

Twardoœæ stali zahartowanej w zale¿noœci od zawartoœci wêgla i procentu

martenzytu w strukturze wg PN-79/H-04402

304

Krzywe hartownoœci otrzymane z próby Jominy’ego mog¹ siê trochê ró¿niæ dla

poszczególnych wytopów stali tego samego gatunku, a nawet dla próbek pochodz¹-

cych z ró¿nych czêœci wlewka. Wynika to z dopuszczalnych wahañ sk³adu chemicz-

O

W

6

12

18

24

30

36

42

48

54

lk, mm

20

0

40

60

80

100

120

140

D

k, m

m

Rys. 36.6. Zale¿noœæ wartoœci œrednicy krytycznej od d³ugoœci krytycznej wg PN-79/H-04402

20

0

3

3

15

15

27

27

39

39

51

51

40

60

20

40

60

20

40

60

twa

rdo

Ͼ

HRC

odleg³oœæ od ch³odzonego czo³a, mm

35

40

40H

12HN3A

18HGM

18HGT

Rys. 36.6. Pasmo hartownoœci dla wybranych stali

305

nego, niejednakowej wielkoœci ziarna i innych czynników. Na podstawie masowych

badañ ró¿nych czêœci wlewków otrzymuje siê wiele punktów, które wykazuj¹ oczywi-

œcie pewien rozrzut twardoœci. Je¿eli punkty te ograniczyæ obustronnie liniami, to po-

wstanie tzw. pasmo hartownoœci danej stali, okreœlaj¹ce mo¿liwe wahania hartowno-

œci stali danego gatunku. Na rys. 36.7. przedstawiono pasmo hartownoœci dla wybranych

stali.

3. MATERIA£Y I URZ¥DZENIA

Dwie próbki do badania hartownoœci (rys. 36.3): ze stali niestopowej 40 i stali

stopowej 40H, piec elektryczny, urz¹dzenie do badania hartownoœci (rys. 36.4), twar-

doœciomierz typu Rockwella.

4. PRZEBIEG ÆWICZENIA

Æwiczenie polega na okreœleniu hartownoœci metod¹ ch³odzenia czo³owego stali

40 i 40H wg zasad przedstawionych w punkcie 2.3. Po zahartowaniu próbek i odpo-

wiednim przeszlifowaniu ich pobocznicy nale¿y przeprowadziæ pomiar twardoœci twar-

doœciomierzem Rockwella (HRC). Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów

nale¿y narysowaæ krzywe hartownoœci oraz okreœliæ odleg³oœci krytyczne, a nastêp-

nie œrednice obu gatunków stali przy ch³odzeniu w wodzie i oleju.

5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA

Sprawozdanie winno zawieraæ:

1) Krótki opis przebiegu æwiczenia,

2) Szkic próbki oraz schemat urz¹dzenia do hartowania,

3) wyniki pomiarów twardoœci w formie tabelarycznej i wykreœlnej,

4) ustalone z wykresu na rys. 36.5. wartoœci twardoœci krytycznych dla obu gatun-

ków stali,

5) wyznaczone odleg³oœci krytyczne (l

k

) oraz œrednice krytyczne (D

k

) obu stali przy

hartowaniu w wodzie i w oleju (z rys.36.6).

6. LITERATURA UZUPE£NIAJ¥CA

[1] Dobrzañski L.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. WPŒl.,

Gliwice 1993.

[2] Gulajew A.: Metaloznawstwo. „Œl¹sk”, Katowice 1967.

[3] Polskie normy: PN-79/H-04402 Metody badania hartownoœci stali. Metoda har-

towania od czo³a.

[4] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN 1986.

[5] Staub F.: Metaloznawstwo. Œl.W.T., Katowice 1994.

[6] Weso³owski K.: Metaloznawstwo. T. 2. WNT, Warszawa 1969.