WYDZIAŁ IN YNIERII MATERIAŁOWEJ

POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ

LABORATORIUM MATERIALOZNAWSTWA

Materiały pomocnicze do wiczenia nr 4 pt. :

„OBRÓBKA CIEPLNA STALI KONSTRUKCYJNEJ (ulepszenie cieplne)”

Opracował dr in . Andrzej W. Kalinowski

1. WIADOMO CI WST PNE

Polska norma PN-76-H/0-01200 obróbk ciepln definiuje jako „proces technologiczny,

w wyniku którego zmienia si własno ci mechaniczne i fizykochemiczne metali i stopów w

stanie stałym, przede wszystkim przez wywołanie zmian strukturalnych b d cych głównie

funkcj temperatury, czasu oraz działania rodowiska".

Inaczej mo na powiedzie , ze obróbka cieplna ogólnie jest sposobem

wykorzystuj cym przemiany aktywowane cieplnie, jakie zachodz w metalach, w celu

osi gni cia wymaganych wła ciwo ci mechanicznych czy fizykochemicznych, o ile nie jest

celem zmiana składu chemicznego przypowierzchniowej warstwy metalu. Podstaw jej s

głównie zmiany strukturalne zachodz ce w stopach pod wpływem przemian alotropowych i

zmiany wzajemnej rozpuszczalno ci składników w stanie stałym. Warunkiem mo liwo ci

stosowania wielu rodzajów obróbek cieplnych jest wi c konieczno aby przynajmniej jeden

ze składników stopu był polimorficzny lub posiadał zmienn rozpuszczalno innego

składnika w stanie stałym.

Nie zawsze jednak spełnienie którego z wymienionych warunków w okre lonym

stopie i po zastosowaniu do niego obróbki cieplnej da praktycznie opłacalny efekt.

Na ogół w wyniku przeprowadzenia ró nych obróbek cieplnych otrzymuje si fazy

lub struktury odległe od stanu równowagi. Jako przykład mo e posłu y struktura uzyskana

po hartowaniu stali lub po odkształceniu plastycznym na zimno. W obu przypadkach

struktura odbiega od równowagi, okre lonej najni sz energi swobodn , a mimo to jest

stabilna o ile nie zostanie poddana działaniu temperatury. Struktury takie nazywa si

metastabilnymi. Zgodnie z prawami termodynamiki istnie b dzie w nich d no do

osi gni cia stanu równowagi. Sił nap dow realizacji tej d no ci jest ró nica energii
swobodnej

∆F mi dzy stanem rzeczywistym (nierównowagowym), uzyskanym po obróbce

cieplnej, a stanem równowagi w okre lonych warunkach.

Zwykle czynnikiem powoduj cym uruchomienie procesów powrotu do równowagi jest

dostarczenie do układu pewnej ilo ci energii (zwykle energii cieplnej) Ogólnie mo na

powiedzie , e w wyniku obróbek cieplnych przeprowadzonych w celu uzyskiwania

wy szych wła ciwo ci wytrzymało ciowych otrzymuje si :

-

fazy, struktury nierównowagowe - metastabilne (np. martenzyt w stali),

-

du y stopie rozdrobnienia ziarna faz i struktur bliskich stanu równowagi (np. sorbit),

-

fazy b d ce roztworami, w których w pewnych obszarach ziarn wywołuje si grupowanie

atomów drugiego składnika (stref-G-P) co powoduje spr yste odkształcenie sieci,

skrócenie swobodnej drogi ruchu dyslokacji a w konsekwencji umocnienie stopu.

Uproszczon istot obróbki cieplnej w sensie czynno ci praktycznych jest nagrzewanie

stopu-metalu z okre lon pr dko ci do zało onej temperatury, wygrzanie w tej temperaturze

w wymaganym czasie i chłodzenie z ró nymi pr dko ciami. Te cz stkowe okresy obróbki

nazywa si zabiegami a cały ich zespół nosi nazw operacji.

Warto odnotowa , e w naszym kr gu cywilizacji ródziemnomorskiej pewne

obróbki cieplne stosowano do stali ju ponad 2OOO lat temu, o czym mówi zapiski greckie

(Pliniusz 23 r pne.) wiadczy to o stałej potrzebie człowieka uzyskiwania coraz lepszych

wła ciwo ci materiałów, z których wytwarza si przedmioty u ytkowe.

2. ULEPSZANIE CIEPLNE

Najcz ciej stosowan obróbk ciepln do stali konstrukcyjnych, zarówno w glowych

jak i stopowych jest ulepszanie cieplne. Składa si ona z dwóch po sobie nast puj cych

operacji hartowania i odpuszczania. Pod poj ciem ulepszania cieplnego rozumie si

hartowanie i wysokie odpuszczanie tj. w zakresie 550°C-670°C.

2.1. Hartowanie

Zgodnie z PN- 76/H-0 1200 ogólnie harowanie jest to:

-

„austenityzowanie przedmiotu i ozi bienie, w celu uzyskania struktury martenzytycznej

lub bainitycznej”,

-

„hartowanie martenzytyczne - hartowanie przy zastosowaniu ozi bienia z szybko ci

wi ksz od krytycznej, w celu uzyskania struktury martenzytycznej”.

Przemiana martenzytyczna, dzi ki której przeprowadza si hartowanie, zachodzi w

warunkach, kiedy austenit zostanie przechłodzony do takich temperatur w których bez
wzgl du na rozpuszczony w nim w giel elazo ulega przemianie alotropowej Fe

γ Feα.

Dyfuzja w gla w niskich temperaturach jest tak mała. e mo na j pomin wtedy ma

miejsce tylko przebudowa sieci z RSC (A1) na RPC (A2) Z pewnym uproszczeniem mo na

powiedzie , e mechanizm przemiany martenzytycznej polega na przesuni ciach płaszczyzn

sieciowych w których bior udział wszystkie le ce na nich atomy elaza oraz w taki

sposób. ze atom elaza w czasie przemiany nie zmienia swoich s siadów Ruch najbli ej

siebie lez cych atomów jest mniejszy od parametru sieci. W czasie przemiany austenitu w

martenzyt zachodzi przebudowa sieci bez zmiany składu chemicznego fazy macierzystej i

fazy nowo utworzonej. Taka przemiana przebiega z du pr dko ci (wynosz c od 1000

do 7000 m/s) i jest bezdyfuzyjn . Pocz tkowo inicjuj przemian napr enia cieplne powstałe

w wyniku chłodzenia. Mo na uzna , ze nie zachodzi ona w stałej temperaturze a w pewnym

jej zakresie - rozpoczyna si w temperaturze Ms (pocz tek przemiany) i ko czy w Mf (koniec

przemiany). Zakres ten równie nie jest stały lecz obni a si wraz ze w wzrostem zawarto ci

w gla (rys. 1).

Rys. 1. Wykres pocz tku (Ms) i ko ca (Mf) przemiany martenzytycznej w zale no ci od

zawarto ci w gla

Inn charakterystyczn cech jest brak wpływu szybko ci chłodzenia na temperatur

pocz tku przemiany. Natomiast szybko chłodzenia wpływa wyra nie na sam przebieg

przemiany. Przy powolniejszym chłodzeniu nieco poni ej temperatury Ms przemiana

zachodzi w wi kszym stopniu, a przy temperaturach znacznie ni szych od temperatury Ms (w
przybli eniu ok. 100

°C), gdy ju utworzy si do du a ilo martenzytu to przyspieszenie

chłodzenia powoduje wi kszy stopie przemiany.
Produktem jej jest roztwór stały przesycony w gla w elazie Fe

α

nazwany martenzytem, o

tym samym składzie chemicznym co austenit, W Fe

γ

bowiem maksymalna zawarto w gla

w temperaturze eutektoidalnej wynosi 0,02%. Przemian t dla uproszczenia mo na zapisa

symbolami, gdzie podwójny nawias oznacza stan przesycenia:

Fe

γ

(C) Fe

α

[(C)]

A M

Stan przesycenia powoduje charakterystyczn cech krystalicznej struktury martenzytu,

któr jest tetragonalno . Znaczy to, e jeden z parametrów liniowych sieci regularnej jest

wi kszy od dwóch pozostałych (rys. 2).

Rys. 2. Elementarna komórka krystaliczna martenzytu

Stopie tetragonalno ci c/a jest wi kszy od jedno ci i zale y od zawarto ci w gla w roztworze

(rys. 3).

Rys. 3. Stopie tetragonalno ci sieci martenzytu w zale no ci od zawarto ci w gla

Im wi cej znajduje si w gla w roztworze tym wi kszy jest stopie tetragonalno ci co

wpływa na wła ciwo ci wytrzymało ciowe martenzytu i oczywi cie stali. Np. twardo

martenzytu zawieraj cego 0,1% C wynosi mniej ni 30HRC a przy zawarto ci 0,7% C osi ga

maksymaln warto 64HRC i przy dalszym wzro cie w gla nie zwi ksza si ju w sposób

znacz cy.

Mikrostruktura martenzytu ma pewne cechy wyj tkowe. Ziarna martenzytu maj kształt

płytek uło onych cz ciowo równolegle do siebie i cz ciowo pod k tami 60

° i 120° (rys. 4).

W płaszczy nie zgładu metalograficznego ujawniaj si one w kształcie igieł. St d w opisie

mikrostruktury martenzytu u ywa si okre lenia "iglasty". W zale no ci od rozmiarów tych

igieł martenzyt dzieli si na gruboiglasty, drobnoiglasty lub skrytoiglasty, gdy przy

najwi kszych nawet powi kszeniach w mikroskopie wietlnym jest on ledwie widoczny.

Rys. 4. Igły martenzytu: a - schemat, b - w stali w glowej 45, c - mikrostruktura stali 45

w stanie znormalizowanym pokazana w celu porównania ze struktur martenzytyczn .

Warunki obróbki cieplnej okre la si na podstawie wykresów przemiany austenitu w

warunkach przechłodzenia izotermicznego (CTPi-czas, temperatura, przemiana) lub

chłodzenia ci głego (CTPc) przedstawione na rys. 5. Potocznie wykresy te z uwagi na kształt

linii pocz tku i ko ca przemiany, nazywa si krzywymi "C".

Ze wzgl du na du praktyczn przydatno tych wykresów sporz dza si je dla

gatunków stali (w glowych i stopowych) poddawanych obróbce cieplnej. Na ich podstawie

mo na okre li krytyczn szybko hartowania, oceni hartowno stali (tj. zdolno do

tworzenia struktury martenzytycznej), ledzi wpływ ró nych czynników (np. składu

chemicznego) na trwało austenitu, okre la wspomniane wy ej warunki obróbki cieplnej

itd.

Bardziej przydatne s wykresy CTPc, gdy z praktycznie najcz ciej stosuje si

chłodzenie ci głe. Na wykresach tych podaje si opisy struktur jakie tworz si w ró nych

temperaturach lub przy ró nych szybko ciach chłodzenia w wyniku przemiany austenitu, jak

równie ich twardo ci Pomi dzy krzywymi pocz tku i ko ca przemiany nanosi si linie

krzywe podaj ce stopie jej zaawansowania.

Rys. 5. Wykresy przemian austenitu stali podeutektoidalnej otrzymane w warunkach:

a - izotermicznych, b - chłodzenia ci głego

Na wykresach rzeczywistych, z których jeden przykład pokazano na rys. 6, litery

oznaczaj obszary istnienia lub tworzenia si odpowiednich faz lub struktur, liczby udziały

ich w powstałej mikrostrukturze, a liczby w okr gach informuj o twardo ci stali po

przemianie, okre lone metod Rockwell'a, Vickers'a lub Brinell'a.

Rys. 6. Wykres przemiany austenitu stali 45 przy ci głym chłodzeniu. (2)

Jednym z warunków uzyskania struktury martenzytycznej, jak podaje norma jest

chłodzenie stali b d cej w stanie austenitycznym z szybko ci wi ksz od szybko ci

krytycznei hartowania. Szybko t definiuje si jako najmniejsz szybko , przy której

uzyskuje si martenzyt. Graficznie przedstawia si j na wykresie „C” jako lini prost

styczn do krzywej pocz tku przemiany. Warto tej szybko ci nie jest stała ani uniwersalna

dla wszystkich stali. Zale y bowiem od trwało ci austenitu a to wi e si z poło eniem

krzywych „C” w stosunku do pocz tku współrz dnych. Na poło enie to b d wpływały takie

czynniki jak: skład chemiczny stali, niejednorodno austenitu, wielko ziarna itp.

Np. wszystkie pierwiastki jakie wprowadza si do stali, jako składniki stopowe prócz

kobaltu przesuwaj krzywe „C” w prawo, a zatem zmniejszaj warto szybko ci krytycznej

hartowania. Przy du ej zawarto ci odpowiednich składników stopowych wprowadzonych do

stali warto tej szybko ci mo e by mniejsza od szybko ci chłodzenia w spokojnym

powietrzu Takie stale okre la si jako „samohartuj ce si ”. Potoczne twierdzenie, e w celu

otrzymania martenzytu nale y chłodzi stal z du szybko ci jest mało precyzyjne, na ogół

odnosi si ono mo e do stali w glowych, których szybko ci krytyczne hartowania s

rzeczywi cie du e (ok. 150°C/s) Znajomo krytycznej pr dko ci hartowania pozwala na

dobranie o rodka chłodz cego gwarantuj cego wymagan szybko chłodzenia dla

obrabialnego cieplnie elementu.

Dla porz dku przypomnie nale y, e struktury tworz ce si przy mniejszych

szybko ciach chłodzenia od szybko ci krytycznej lub przy przemianach W warunkach

izotermicznych (rys. 5a) okre la si jako struktury typu perlitycznego. Bowiem produktem

przemiany s mieszaniny zło one z ferrytu i cementytu o ró nym stopniu rozdrobnienia z

cementytem w kształcie płytek.

Przy małych stopniach przechłodzenia lub niewielkiej szybko ci chłodzenia tworzy si

perlit gruby Przy nieco wi kszych przechłodzeniach lub szybko ciach chłodzenia – perlit

drobny.

W zakresie temperatur poni ej najmniejszej trwało ci austenitu tj. ok. 550°C i powy ej

temperatury Ms przebieg przemiany austenitu jest bardziej zło ony Znaczny stopie

przechłodzenia zmniejsza mo liwo ci dyfuzyjnego przemieszczania si atomów elaza,

natomiast atomy w gla wykazuj znaczn ruchliwo . Przemiana nie ma wi c w pełni

charakteru dyfuzyjnego, a raczej po redni, mieszany tj. cz ciowo dyfuzyjny a cz ciowo

bezdyfuzyjny. Wskutek ograniczonej ruchliwo ci atomów elaza bezdyfuzyjnie nast puje

zmiana sieci krystalicznej, a tworz cy si ferryt jest przesycony i charakteryzuje si iglast

martenzytyczn budow . W przemianie tej ferryt jest faz wiod c i powstaje przed

cementytem. Znaczna jeszcze ruchliwo atomów w gla powoduje, e zarówno w ferrycie,

jak i nie przemienionym jeszcze austenicie wydzielaj si cz stki cementytu. Malej ca

zawarto w gla w austenicie ułatwia tworzenie si nowych igieł ferrytu co powoduje, e

przemiana trwa dalej a do wyczerpania si austenitu. Utworzone w ten sposób produkty

przemiany nazwano bainitem, a przemian bainityczn .

Ze wzgl du na znaczn rozpi to temperatury, w której przebiega przemiana

bainityczna, zauwa a si pewne w niej ró nice, które zaznaczaj si w otrzymanych

mikrostrukturach.

W górnej cz ci zakresu przemiany (550

°C - 350°C) dominuj ce s równolegle uło one

grube płytki ferrytu i równoległe do nich płytkowe wydzielenia cementytu. Tak
ukształtowan struktur nazwano bainitem górnym. W dolnej cz ci zakresu (350

°C - Ms)

powstaj cy ferryt jest bardziej przesycony. Utworzona struktura jest iglast mieszanin

przesyconego ferrytu i bardzo drobnych cz stek cementytu. T struktur nazwano bainitem

dolnym.

Z krzywej kinetyki przemiany martenzytycznej (rys. 7) wynika, e nie zachodzi ona do

ko ca w mikrostrukturze stali zahartowanej pozostaje pewna ilo austenitu, który nie uległ

przemianie. Ten austenit nazwano austenitem szcz tkowym (Asz).

Przyczyn pozostawania nie przemienionego austenitu w mikrostrukturze tłumaczy si

tym, e tworz cy si martenzyt posiada wi ksz obj to wła ciw ni austenit. Powoduje to

powstanie napr e strukturalnych, które hamuj przemian austenitu (rys. 4a). Warto tych

napr e jest du a (si ga nawet 650 MPa), tak e zdarza si , e przedmioty podczas

hartowania ulegaj P kaniu (P kni cia hartownicze). Austenit szcz tkowy jest faz

niepo dan w stali zahartowanej gdy obni a jej wła ciwo ci wytrzymało ciowe. Wielko

jego udziału zale y od zawarto ci w gla w austenicie to znaczy im wi cej roztwór zawiera

w gla tym wi cej pozostaje austenitu szcz tkowego w mikrostrukturze (rys. 8).Podobny

wpływ maj niektóre składniki jak np. Mn, Cr, Ni w stalach stopowych. Ilo Asz zale y

równie od temperatury przemiany martenzytycznej Ms. Im jest ona ni sza tym wi cej

pozostaje austenitu szcz tkowego. Obraz mikroskopowy nadmiernej jego ilo ci pokazano na

rysunku 9.

Rys. 7. Krzywa kinetyki przemiany martenzytycznej

Rys. 8. Wpływ zawarto ci w gla na ilo Asz w stalach w glowych

Rys. 9 Martenzyt z du ilo ci austenitu szcz tkowego (jasne obszary).

Pozby si go mo na stosuj c ozi bianie do temperatur znacznie ni szych od 0

°C.

2. 1. 1. Dobór warunków hartowania

Hartowanie przeprowadza si na gotowych, pod wzgl dem kształtu przedmiotach, w

których ju zainwestowana zastała praca, materiał i energia. St d dobór warunków obróbki

cieplnej musi by poprzedzony dokładn analiz wielu czynników, gdy przez niewła ciwe

ich ustalenie mo na nie osi gn zamierzonego efektu lub uszkodzi obrabiany przedmiot. Z

tych wzgl dów nale y przede wszystkim okre li :

1.

Szybko nagrzewania, która zwi zana jest z przewodno ci ciepln a ta ze składem

chemicznym stali. Stale stopowe posiadaj mniejsz przewodno ciepln od stali

w glowych, dlatego nagrzewa si je wolniej. W ten sposób unika si deformacji i zmian

wymiarowych wywołanych napr eniami cieplnymi i strukturalnymi. Niezale nie od

gatunku stali równie wolniej nagrzewa si przedmioty o zło onym kształcie.

2.

Temperatur , do której nagrzewa si przedmiot aby osi gn pełn lub cz ciow

austenizacj stali.

3.

Czas przetrzymywania przedmiotu w okre lonej temperaturze konieczny do pełnej

przemiany fazowej, rozpuszczania w glików i uzyskania jednorodno ci chemicznej.

4.

Szybko chłodzenia w celu otrzymania struktury martenzytycznej. Wi e si ona z

warto ci pr dko ci krytycznej hartowania i zale nym od niej wyborem o rodka

chłodz cego (np. powietrza, wody, oleju). Praktycznie unika si du ych szybko ci

chłodzenia je li to nie jest konieczne, gdy podobnie jak w zabiegu nagrzewania w

materiale powstaj o znacznych warto ciach, napr enia cieplne i strukturalne.

Zakres temperatur, z których hartuje si stale w glowe pokazano na rysunku 10.

Rys. 10. Zakres temperatur hartowania stali w glowych.

Jak istotny wpływ ma temperatura na mikrostruktur i wła ciwo ci prze ledzi mo na na

przykładzie stali narz dziowej w glowej N12. Stal ta jak wynika z symbolu, zawiera

przeci tnie 1,2% C, jest wi c stal nadeutektoidaln . Wykresy przydatne do tej analizy (rys.

11) przedstawiaj twardo ci martenzytu (krzywa c) i twardo ci stali zahartowanej z ró nych

temperatur o ró nych zawarto ciach w gla. Stale nadeutektoidalne hartowane zostały z

temperatur powy ej Ac

cm

(krzywa a) i powy ej Ac

1

(krzywa b). Z krzywej twardo ci

martenzytu wynika, e wprowadzenie w czasie hartowania do austenitu w gla wi cej ni 0,7 -

0,8% daje niewielki efekt wzrostu twardo ci martenzytu. Stal N12 zahartowana z temperatury

powy ej Accm (pełna austenizacja) uzyskuje twardo mniejsz ni hartowana z temperatury

Ac

1

, tj. niepełnej austenizacji. Przyczyn takiego stanu jest wi kszy udział austenitu

szcz tkowego w mikrostrukturze stali hartowanej z wy szej temperatury, w której cały w giel

znalazł si w roztworze (rys. 8). Przypadek taki przedstawia zdj cie (rys. 9) mikrostruktury

stali N12 zahartowanej z temperatury 1040°C.

Rys 11 Twardo stali w zale no ci od zawarto ci w gla i temperatury hartowania;

a - temperatura hartowania powy ej Ac

3

i Ac

cm

; b - temperatura hartowania powy ej Ac

1

(770°C); c - mikrotwardo martenzytu.

Otrzymana w takich warunkach struktura zło ona jest z gruboiglastego martenzytu i

du ej ilo ci austenitu szcz tkowego. Ta sama stal zahartowana z temperatury powy ej Ac

1

tj.

z obszaru niepełnej austenizacji, gdzie obok austenitu zawieraj cego ok. 0,8% C istnieje

cementyt drugorz dowy, ma twardo powy ej 60HRC (krzywa b). Mikrostruktura stali

składa si z martenzytu (o znacznie mniejszych igłach), cementytu (korzystne jest aby

cementyt był ziarnisty a nie tworzył siatki) i pewnej ilo ci austenitu szcz tkowego. Tak wi c

hartowanie z temperatury 770°C dało oczekiwany efekt - otrzymano materiał twardy i

odporny na cieranie.

2. 1. 2. Hartowno i przykład jej pomiaru.

Hartowno jest to zdolno do tworzenia struktury martenzytycznej. Miar

hartowno ci jest grubo warstwy zahartowanej do gł boko ci gdzie w mikrostrukturze

istnieje 50% martenzytu i 50% struktur innych.

Podczas hartowania przedmiotów o wi kszych przekrojach czy rednicach nie

wszystkie warstwy materiału osi gaj szybko ci chłodzenia wi ksze od krytycznej V

kr

jak to

pokazano na rys. 12. Konsekwencj tego b dzie utworzenie si ró nych struktur na przekroju

przedmiotu od martenzytu w warstwach przypowierzchniowych do perlitycznych we wn trzu

pr ta (rdzeniu) a mi dzy nimi istnie b d struktury mieszane.

Rys. 12. Szybko chłodzenia w zale no ci od gł boko ci warstwy w grubym pr cie

o przekroju okr głym - a, gł boko warstwy zahartowanej - b.

Przy małych warto ciach V

kr

warstwa zahartowana b dzie grubsza a mo e zaistnie i

taka sytuacja, e na całym przekroju przedmiot o znacznych wymiarach uzyska struktur

martenzytyczn . Oznacza to, e im mniejsza jest V

kr

tym grubsza jest warstwa zahartowana.

Cecha ta zwi zana jest z trwało ci , przechłodzonego austenitu; im wolniej zachodzi

przemiana austenitu w perlit, tym bardziej krzywe na wykresie izotermicznej przemiany

austenitu przesuni te s w prawo, tym mniejsza jest krytyczna szybko hartowania i tym

samym wi ksza hartowno stali. Do czynników, które opó niaj przemian nale y przede

wszystkim skład chemiczny stali. Wszystkie pierwiastki prócz kobaltu opó niaj przemiany,

natomiast cz stki nierozpuszczalne, niejednorodno austenitu, wielko ziarna austenitu b d

j przyspieszały.

Grubo warstwy zahartowanej okre li mo na na podstawie bada metalograficznych

lub pro ciej, pomiaru twardo ci. Poniewa twardo martenzytu praktycznie zale y od

zawarto ci w gla, to równie twardo strefy półmartenzytycznej zale na jest od niego co

przedstawiono na wykresie (rys. 13a). Korzystaj c z tego, hartowno stali okre la si

mierz c twardo na przekroju zahartowanej próbki w kształcie pr ta o przekroju okr głym

Otrzymana krzywa „U” zmian twardo ci wzdłu rednicy próbki (rys. 13b), przeci ta linia

oznaczaj c twardo warstwy półmartenzytycznej graficznie wyznacza grubo warstwy

zahartowanej. Otrzymany wynik odnosi si do okre lonej stali, rednicy próbki o rodka

chłodz cego. Dla ka dego o rodka chłodz cego-sposobu chłodzenia istnieje pewna

najwi ksza rednica, tego samego gatunku stali przy której hartuje si ona na całym

przekroju. rednic t nazwano rednic krytyczn .

Rys 13. Twardo strefy półmartenzytycznej w zale no ci od ilo ci w gla - a,

rozkład twardo ci na przekroju zahartowanego pr ta.

Znormalizowanym sposobem podanym w PN-79/H-04402, okre lenia hartowno ci jest

próba hartowania od czoła (próba Jominy'ego). Polega ona na nagrzaniu i wygrzaniu w

temperaturze austenityzacji próbki w kształcie walca z kołnierzem i chłodzeniu płaskiej

powierzchni (od czoła) strumieniem wody o równomiernym nat eniu wypływu (rys. 14).

Nast pnie wzdłu tworz cej, po obu stronach próbki od powierzchni czoła dokonuje si

pomiaru twardo ci.

Rys. 14. Schemat chłodzenia próbki podczas badania hartowno ci metod

chłodzenia od czoła - a; miejsca pomiaru twardo ci - b.

Ze rednich pomiaru sporz dza si wykres zmian twardo ci od czoła próbki, na który

nanosi si warto twardo ci półmartenzytycznej badanej stali. Istnieje mo liwo

wykorzystania tego wykresu do przewidywania grubo ci warstwy zahartowanej.

3. ODPUSZCZANIE

Drug cz

ulepszania cieplnego stanowi odpuszczanie, je eli w wyniku hartowania

uzyskano mikrostruktur zło on z martenzytu tetragonalnego i pewnej ilo ci austenitu

szcz tkowego (w stalach nadeutektoidalnych trzecim składnikiem strukturalnym jest

cementyt) Obie te fazy s w nierównowadze (metastabilne) Mimo to s do trwałe poniewa

procesy dyfuzyjne niezb dne dla powrotu do równowagi nic zachodz w temperaturach

normalnych. Chc c uruchomi procesy dyfuzyjne nale y je zaktywizowa cieplnie co w

praktyce znaczy podnie temperatur obrabianego elementu.

Odpuszczanie, norma cytowana wcze niej okre la jako - „grzanie przedmiotu

poddanego uprzednio hartowaniu do temperatury ni szej od temperatury przemiany

alotropowej i nast pne chłodzenie w celu otrzymania stanu bardziej stabilnego”.

Proces ten mo na podzieli na stadia, w zale no ci od temperatury, w których dominuj

pewne zjawiska. Powoduj one zmiany wymiarowe zahartowanej i odpuszczanej próbki

stalowej co zostało wykorzystane do ich ledzenia na krzywej dylatometrycznej (rys. 15a).

Zakresy temperaturowe poszczególnych stadiów zale ne s od składu chemicznego i

cz ciowo ró ni si mi dzy sob .

Stadium I, 80

°C - 200°C. Dominuj cym zjawiskiem jest wydzielenie si nadmiaru

w gla z przesyconego roztworu i tworzeniu cienkich płytek metastabilnego w glika

ε o

wymiarach 0,1 - 1,0

µm, strukturze heksagonalnej i składzie stechiometrycznym w przedziale

Fe

2

C-Fe

2.4

C. W glik ten jest koherentny z martenzytem. Zjawisko to powoduje zanik

tetragonalno ci martenzytu, parametr sieciowy c

→a, (c/a→1). Napr enia własne ulegaj

znacznemu obni eniu co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia wymiarów próbki.

Stadium II, 200

°

C - 300

°

C. W stadium tym dalej trwa wydzielanie si w glika

ε

i zanik

tetragonalno ci sieci martenzytu. W temperaturze 300°C w roztworze pozostaje jeszcze ok.

0,2% C. Zjawiska te powoduj dalsze obni enie napr e własnych, napr e ciskaj cych

austenit szcz tkowy, który ulega przemianie na martenzyt lub wg innych pogl dów na bainit

dolny. Obj to próbki wzrasta co ujawnia krzywa dylatometryczna (rys. 15a). W praktyce

uwa a si , e w tym stadium z austenitu szcz tkowego tworzy si martenzyt regularny tj.

pozbawiony tetragonalno ci nazwany martenzytem odpuszczonym.

Stadium III, 300

°

C - 400

°

C. W tym zakresie temperatur dochodzi do całkowitego

zaniku przesycenia martenzytu i tworzenia si ferrytu. Uruchomiona w znacznym stopniu

dyfuzja powoduje zarodkowanie stabilniejszego od fazy

ε

cementytu. W wyniku tych zmian

tworzy si mieszanina ferrytu i cementytu.

Stadium IV, 400

°

C - A

1

. W ostatnim stadium przemian nast puje wzrost i sferoidyzacja

bardzo drobnych cz stek cementytu. Powy ej 600°C kulki cementytu powi kszaj si w

wyniku intensywnej koagulacji. Rosn równie ziarenka ferrytu. Mieszanin tych faz

tworz c si do temperatury ok. 680°C nazwano sorbitem (rys. 16). Przemiany strukturalne

zachodz ce podczas odpuszczania zahartowanej stali powoduj zmiany wła ciwo ci

mechanicznych Przebieg tych zmian pokazano na przykładzie stall 45 (rys. 17). Wynika z

niego, e w miar podwy szania temperatury odpuszczania obni aj si wła ciwo ci

wytrzymało ciowe a wzrastaj plastyczne. Tak wi c dobieraj c temperatury odpuszczania

mo na kształtowa mikrostruktur i otrzymywa wymagane wła ciwo ci stali odpowiadaj ce

projektowym obliczeniom i charakterowi pracy elementu.

Rys 15 Schemat a - krzywej dylatometrycznej odpuszczania zahartowanej stali,

b - przemiany zachodz cej w niej podczas odpuszczania.

Rys. 16. Mikrostruktura sorbitu w stali 55 hartowanej z temp 820

°C w wodzie

i odpuszczanej w 650°C.

Na ogół cz ci maszyn, silników i wiele innych, pracuj pod obci eniem zmiennym

(niekiedy udarowym). Tylko hartowanie tych cz ci byłoby niewystarczaj ce, gdy stale o

strukturze martenzytycznej, posiadaj wprawdzie wysok wytrzymało , odporno na

cieranie i twardo , ale s kruche i nie wykazuj cech plastycznych. Ulepszanie cieplne

pozwala wi c na uzyskanie optymalnej mikrostruktury, która niejako „godzi” własno ci

wytrzymało ciowe i plastyczne. Daje korzystn warto in ynierskiego wska nika

umocnienia Re/Rm (warto jego osi ga 0,9).

Rys. 17. Wpływ temperatury odpuszczania na wła ciwo ci mechaniczne stali 45. (3)

Stalami, do których stosuje si ulepszanie cieplne s : stale w glowe wy szej jako ci

zawieraj ce od 0,25% do 0,6%C (stale redniow glowe) i przewa nie stale niskostopowe,

których ł czna zawarto pierwiastków stopowych nie przekracza zwykle 3,5%.

4. PYTANIA KONTROLNTE

1. Poda definicj obróbki cieplnej.

2. Poda definicj hartowania.

3. Co to jest martenzyt?

4. Co to jest austenit szcz tkowy?

5. Czym ró ni si przemiana martenzytyczna od przemiany perlitycznej?

6. Co to jest krytyczna pr dko hartowania?

7. Od czego zale y warto krytycznej pr dko ci hartowania?

8. Narysowa komórki elementarne sieci krystalicznej martenzytu.

9. Od czego zale y ilo austenitu szcz tkowego w mikrostrukturze stali zahartowanej?

10. Okre li warto temperatury z której hartuje si stal 40.

11. Okre li warto temperatury z której hartuje si stal N12.

12. Na wycinku wykresu Fe-Fe

3

C zaznaczy zakres temperatur, z których hartujemy stale

pod i nadeutektoidalne.

13. Dlaczego hartujemy stale?

14. Z jakich faz składa si mikrostruktura stali zahartowanej?

15. Jak wpływaj pierwiastki stopowe na poło enie krzywych „C”?

16. Narysowa krzywe „C” dla stali podeutektoidalnej i zaznaczy na nich pr dko

chłodzenia, przy których uzyskujemy perlit drobny, bainit górny i martenzyt.

17. Narysowa krzywe „C” dla stali eutektoidalnej i zaznaczy na nich pr dko , przy

których otrzymujemy perlit gruby, bainit dolny i martenzyt

18 Narysowa krzywe „C” dla stali nadeutektoidalnej i zaznaczy na nich pr dko

krytyczn hartowania i pr dko ci przy których uzyskujemy perlit drobny i martenzyt.

19. Co to jest sorbit?

20. Co to jest bainit?

21. Co to jest hartowno i od czego ona zale y?

22. Jak mierzy si hartowno ?

23. Jakie stale pod wzgl dem zawarto ci w gla poddaje si hartowaniu?

24. Jak zmniejsza si udział austenitu szcz tkowego w mikrostrukturze stali zahartowanej?

25. Co znaczy poj cie martenzyt odpuszczony?

26. W jakim celu przeprowadza si odpuszczanie stali zahartowanej?

5. LEKTURA

1. K. Wesołowski – „Metaloznawstwo i obróbka cieplna”, wyd. WNT 1972 Warszawa.

2. R. Haimann – „Metaloznawstwo”, wyd. Politechnika Wrocławska 1974.

3. St. Prowans – „Struktura stopów”, wyd. PWN 1991 Warszawa.

4. L. Dobrza ski – „Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali”, wyd. Politechnika

l ska, Gliwice 1995.

5. K. Przybyłowicz – „Metaloznawstwo”, WNT Warszawa 1996.