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,

(+)

50

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

●

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)

Jominy’ego

● określanie średnic krytycznych (D

k

) w ośrodkach o różnej intensywności chłodzenia (H)

na podstawie próby Jominy’ego - przykład nomogramu wg Grossmanna,

H – współczynnik intensywności chłodzenia

(- +)

● doświadczalne wykresy korelacji szybkości chłodzenia prętów okrągłych oraz próbek Jominy’ego

- nałożenie tych wykresów na krzywe lub pasma hartowności
umożliwia określenie rozkładu twardości na przekroju prętów,

(katalog firmy Röchlingsche Eisen und Stahlwerke)

- przykład rozkładu minimalnej twardości na przekroju
pręta

φ

60 mm ze stali 40H po hartowaniu w oleju

⇒

(wg W. Lutego)

(- +)

jednakowej szybkości chłodzenia
w głębi przedmiotu oraz w próbce
Jominy’ego odpowiada jednakowa
twardość.

Założenie:

chłodzenie w wodzie

chłodzenie w oleju

(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)