67

6. OBRÓBKA CIEPLNO - PLASTYCZNA

6.1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się z rodzajami obróbki cieplno – plastycznej i ich wpływem na własno-

ś

ci metali.

6.2. Wprowadzenie

Obróbką cieplno-plastyczną, zwaną potocznie również obróbką cieplno – mechaniczną

nazywamy połączenie odkształcenia plastycznego z obróbką cieplną w taki sposób, aby prze-
miana fazowa zachodziła w warunkach wzrostu gęstości defektów sieci wywołanych od-
kształceniem. Jak wykazały badania, tą drogą można uzyskać wzrost wytrzymałości bez jed-
noczesnego spadku plastyczności.

Wybór technologii obróbki cieplno plastycznej uzależniony jest od rodzaju stopu i zacho-

dzących w nim przemian.

Najprostszymi rodzajami obróbki cieplno-plastycznej w stalach są: hartowanie elemen-

tów bezpośrednio po kuciu lub walcowaniu. Inną technologią jest przyspieszone chłodzenie
wyrobów po obróbce plastycznej przez natrysk wodą, nadmuch sprężonym powietrzem, zanu-
rzenie w zimnej wodzie. Stosuje się także tzw. Wstępną obróbkę cieplno – plastyczną polega-
jącą na odkształceniu plastycznym na zimno, szybkim nagrzewaniu do temperatury austenity-
zowania i szybkim schłodzeniu. Technologie obróbki cieplno – plastycznej umożliwiają
zwiększenie wytrzymałości wyrobów o 20 – 30% i mogą być stosowane do wszystkich stali.

6.2.1. Podstawowe rodzaje obróbki cieplno - plastycznej

Obróbka cieplna jest dziedziną technologii mającą na celu polepszenie własności mecha-

nicznych i fizyko chemicznych metali i stopów poprzez zmianę struktury w stanie stałym w
wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania ośrodka.

Rodzaje zabiegów obróbki plastycznej przedstawiono na rys. 6.1.
Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali i sto-

pów wyróżniamy następujące rodzaje obróbki cieplnej:

- obróbkę cieplną zwykłą,
- obróbkę cieplno – chemiczną,
- obróbkę cieplno – plastyczną,
- obróbkę cieplno magnetyczną.
Istotą obróbki cieplno – plastycznej jest powstanie podstruktury zależnej od temperatury,

stopnia gniotu, szybkości odkształcenia plastycznego metali i stopów.

W zależności od temperatury w jakiej odkształcamy plastycznie metal można obróbkę

cieplno – plastyczną podzielić na : 1 – wysokotemperaturową (WTOCP), 2 - niskotemperatu-
rową (NTOCP), 3 – kombinowaną (KOCP) i 4 – wielostopniową OCP. Rodzaje tych obróbek
pokazano schematycznie na rys. 6.2; linia zygzakowata oznacza odkształcenie plastyczne.

68

Rys. 6.1. Rodzaje zabiegów obróbki plastycznej [1]

Rys. 6.2. Schemat obróbki cieplno-plastycznej: 1 - WTOCP, 2 - NTOCP, 3 - KOCP,
4 - wielostopniowa OCP (wwwww oznacza odkształcenie) [3]

Obróbka wysokotemperaturowa (WTOCP) polega na odkształcaniu materiału w wysokiej

temperaturze, wyższej niż temperatura rekrystalizacji. Powoduje ona polepszenie własności
ciągliwych i plastycznych przy niewielkich zmianach własności wytrzymałościowych.

Obróbka niskotemperaturowa (NTOCP) polega na odkształceniu plastycznym w tempera-

turze niższej niż temperatura rekrystalizacji, ale powyżej M

s

. Powoduje ona zwykle znaczne

zwiększenie wytrzymałości bez pogorszenia własności plastycznych metali i stopów.

Obróbka kombinowana (WTOCP) - odkształcenie materiału następuje zarówno w wyso-

kiej, jak i niskiej temperaturze.

W obróbce cieplno – plastycznej wielostopniowej występuje wielokrotne odkształcenie w

stopniowa obniżającej się temperaturze.

69

Na rys. 6.3 przedstawiono schemat izotermicznych obróbek cieplno – plastycznych stali

polegających na zastąpieniu przemiany martenzytycznej perlityczną lub bainityczną.

Rys. 6.3. Schemat obróbki cieplno-plastycznej z przemianą izotermiczną: 1 - perlityczną (izo-
forming), 2 - bainityczną (wwwww oznacza odkształcenie): a) z odkształceniem bainitu, b) z
odkształceniem austenitu [3

]

Dla stopów metali nieżelaznych można stosować obróbki cieplno plastyczne nisko- i wysoko-

temperaturowe jak i obróbki kombinowane.

6.2.2. Wpływ obróbki cieplno – plastycznej na strukturę

W stalach poddanych OCP zachodzi przede wszystkim rozdrobnienie struktury i zwięk-

szenie gęstości defektów. W wyniku WTOCP struktura austenit ulega poligonizacji ze zwięk-
szoną ilością defektów, które przechodzą do martenzytu. Z kolei odkształcenie austenitu w
zakresie 20% powoduje obniżenie M

s

a tym samym utrudnia powstawanie martenzytu zwięk-

szając ilość austenitu szczątkowego, który można rozłożyć przeprowadzając wymrażanie.
Wraz ze wzrostem stopnia odkształcenia linia GOS przesuwa się w lewo – dół (rys. 6.4).

Rys. 6.4. Wpływ wielkości odkształcenia (ε) na położenie linii na wykresie fazowym
Fe – Fe

3

C [4]

70

Gdy przeprowadzamy OCP z przemianami izotermicznymi, następuje rozdrobnieni struk-

tury i utworzenie się podstruktury w ferrycie.

Po NTOPC austenit nie może rekrystalizować i wówczas pozostaje duża ilość dyslokacji,

w których segregują atomy węgla i azotu, a wydzielające się dyspersyjne węgliki lub węgliko
– azotki hamują ruch dyslokacji.

W celu uzyskania struktury drobnoziarnistej stali konstrukcyjnej, zapewniającej wysoką

granice plastyczności i niską temperaturę przejścia w stan kruchy stosuje się obniżenie tempe-
ratury końca odkształcenia plastycznego ok. 850

0

C. Proces ten stosowany jest w technologii

regulowanego walcowania czy kucia. Schemat regulowanego walcowania stali przedstawia
rys. 6.5.

Rys. 6.5. Schemat regulowanego walcowania stali [1]

Oprócz walcowania regulowanego, w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury ferry-

tyczno-bainitycznej, bainitycznej lub manenzytycznej dla stali z mikrododatkami, stosuje się
wydajniejszą technologię walcowania ze sterowaną rekrystalizacją.

6.2.3. Wpływ obróbki cieplno – plastycznej na własności metali

Obróbka cieplno – plastyczna jest jednym z najtańszych sposobów poprawy własności

mechanicznych wielu stopów. Wpływ OPC na własności stali po odkształceniu ε = 85%
przedstawiono w tablicy 6.1 oraz na rys. 6.6 i 6.7.

Tablica 6.1.

Wpływ NTOCP i WTOCP na własności stali po odkształceniu ε = 85% [3]

Rodzaj obróbki

Gatunek stali

R

m

MPa

R

0,2

MPa

A
%

NTOCP

40HSNBF
40HGSNMF

2760(2000)
2800(2110)

2260(1660)
2250(1840)

5,9(5,5)
7,1(8,0)

WTOCP
po

odpuszcz.

200°C

40HSNBF
40H2NSMF
50S2G

2370(2000)
2300(1910)
2700(2250)

2150(1660)
2140(1590)
2350(1920)

8,1(5,9)
9,1(6,4) 7,0(6,0)

W nawiasach podano własności po ulepszeniu

.

71

Rys.6.6. Wpływ stopnia odkształcania w temp. 329

0

C na własności stali 37H2NGSM. Po

przemianie bainitycznej stal odpuszczano w 200

0

C [3]

Rys. 6.7. Wpływ stopnia odkształcenia przy WTOCP na własności mechaniczne stali
50HN4MA [3]

Porównując własności po wysoko- i niskotemperaturowej OCP można zauważyć, że w

wyniku odkształcenia w niskiej temperaturze uzyskuje się materiał o większej wytrzymałości i

mniejszej ciągliwości (małej odporności na kruche pękanie), a w wyniku odkształcenia w wy-

72

sokiej temperaturze - na odwrót. Stosując kombinowaną OCP można osiągnąć zarówno wy-

soką wytrzymałość, jak i dużą ciągliwość.

Stosując OCP z przemianą bainityczną również uzyskuje się dobrą kombinację wytrzy-

małości i ciągliwości, a odporność na rozprzestrzenianie się pęknięć jest nawet dziesięcio-

krotnie większa niż po zwykłym ulepszaniu cieplnym, a ponadto dodatkową korzyścią ze sto-

sowania OCP jest zmniejszenie kruchości odpuszczania stali.

6.3. Pomoce i urządzenia

- ciągarka,
- maszyna wytrzymałościowa,
- skręcarka,
- przeginarka

6.4. Instrukcja do ćwiczenia

- ciągnienie drutu w różnych temperaturach,
- badanie własności wytrzymałościowych i plastycznych na maszynie wytrzymałościowej,
- próba skręcania,
- próba przeginania,
- sporządzenie sprawozdania.

Literatura

1.

Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT W-wa 2002

2.

Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT W-wa

1998

3.

Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT W-wa 2003

4.

Przybyłowicz K.: Strukturalne aspekty odkształcania metali. WNT W-wa 2002

Opracował: dr inż. Robert Skoblik