Katedra Metaloznawstwa i Technologii 

Materiałowych

Zakład Metaloznawstwa i Obróbki Cieplnej

Wykład 7:

OBRÓBKA CIEPLNA STALI

 

 

Obróbką  cieplną

  nazywamy  odpowiednio  dobrane  zabiegi 

cieplne,  które  prowadzą  do  zmiany  własności  stali    poprzez 
zmiany 

struktury, 

wywołane 

przemianami 

fazowymi 

zachodzącymi w stanie stałym.      

 

 

Teoria obróbki 

cieplnej

W  operacjach  obróbki  cieplnej  stali  mamy  do  czynienia  z 

czterema

  podstawowymi  przemianami  fazowymi,  które 

zachodzą  w  zależności  od  rodzaju  fazy  wyjściowej,  kierunku 
zmiany  temperatury  (  nagrzewanie,  chłodzenie  )                  i 
szybkości chłodzenia. 

Przemiana perlitu w austenit

 ( pierwsza przemiana podstawowa ) - 

decydująca  o  możliwości    zachodzenia  następnych.  Po  nagrzaniu 
stali  powyżej  temperatury  A

1

  austenit  ma  mniejszą  energię 

swobodną niż perlit - co stanowi siłę napędową przemiany. Szybkość 
przemiany  zależy  od  struktury  perlitu  -  najszybciej  zachodzi  ona  w 
drobnopłytkowym  perlicie  (  duża  liczba  zarodków  i  małe  drogi 
dyfuzji ).

Grzanie pow.

 A

1

 (727

0

C)

 

 

Dyfuzyjna  przemiana  austenitu

  (  druga  przemiana  podstawowa  )  - 

po  ochłodzeniu  austenitu  poniżej  A

1 

powstaje  różnica  energii 

swobodnych,  która  jest  siłą  napędową  tej  przemiany.  W  zależności 
od  zakresu  temperatur,  w  którym  zachodzi,  ma  różny  przebieg, 
występują  też  różnice  morfologiczne  powstającej  struktury.  W 
zakresie powyżej temperatury maksymalnego zarodkowania istnieje 
zakres 

przemiany 

perlitycznej, 

poniżej 

zakres 

przemiany 

bainitycznej.  Temperatura  graniczna  oddzielająca  te  zakresy 
odpowiada przechłodzeniu ok. 200

0

C poniżej A

1

.    

Bezdyfuzyjna przemiana austenitu

  ( trzecia przemiana podstawowa 

) - zwana martenzytyczną.

Martenzytem

 nazywamy przesycony roztwór stały węgla w żelazie .  

Ma strukturę tetragonalną, powstałą przez zniekształcenie sieci A2. 
Siłą  napędową  przemiany  martenzytycznej    jest  różnica  energii 
swobodnej  między  austenitem  i  martenzytem,  ale  warunkiem 
powstania  martenzytu  jest  chłodzenie  austenitu  z  taką  szybkością, 
aby nie uległ on wcześniej przemianie w perlit lub bainit.      

Rozkład martenzytu

 ( czwarta przemiana podstawowa ) - zachodzi w 

zahartowanej  stali  podczas  jej  grzania.  Główną  i  najistotniejszą 
przemianą  jest  rozkład  martenzytu,  który  pozostawał  w  stanie 
równowagi  metastabilnej,  w  mieszaninę  złożoną  z  ferrytu  i 
węglików.  Mieszanina  taka  ma  mniejszą  energię  swobodną  niż 
martenzyt, co jest siłą napędową przemiany.  

 

 

Wykres CTPi ( dla stali 

eutektoidalnej )

Perlit gruby

Perlit drobny

Bainit 

górny

Bainit 

dolny

B

f

B

s

M

 

+M

M

f

M

s

+B

P

f

P

s





+P

 

 

 

 

Technologia obróbki 

cieplnej

Wyżarzanie  ujednoradniające

  (  homogenizujące  )  -  polega  na 

nagrzewaniu  do  temperatury  zbliżonej  do  linii  solidus  (  zwykle 
10001250

0

C  ),  długotrwałym  wygrzewaniu  w  tej  temperaturze,  aż 

do  zajścia  dyfuzyjnego  wyrównania  składu  chemicznego,  oraz 
chłodzeniu.

Wyżarzanie 

-  zabiegi  cieplne,  które  w  mniejszym  lub 

większym 

stopniu 

prowadzą 

do 

stanu 

równowagi 

termodynamicznej  w  obrabianym  stopie.  Są  to  najczęściej: 
nagrzanie  do  określonej  temperatury,  wygrzewanie  i 
chłodzenie. 

Wyżarzanie  normalizujące

    (  normalizowanie  )  -  polega  na 

nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn. 3050

0

C powyżej linii GSE 

(A

3

-A

cm

)  i  następnie  studzeniu  na  wolnym  powietrzu.  Stosowane  w 

celu rozdrobnienia ziarna i ujednolicenia struktury. 

Wyżarzanie  zupełne

  -  prowadzi  do  wytworzenia  struktury  zbliżonej 

do  stanu  równowagi.  Polega  na  austenityzowaniu  stali  jak  przy 
normalizowaniu  i  następnie  studzeniu  w  piecu.  Celem  zabiegu  jest 
zmniejszenie  twardości  i  naprężeń  wewnętrznych  oraz  zwiększenie 
ciągliwości stali.

Wyżarzanie niezupełne

 - przeprowadza się podobnie jak wyżarzanie 

zupełne, z tym że temperatura wyżarzania jest pośrednia między A

1

-

A

3

  dla  stali  podeutektoidalnych  oraz  między  A

1

-A

cm

  dla  stali 

nadeutektoidalnych.  Cel  zabiegu  jest  analogiczny,  jak  przy 
wyżarzaniu zupełnym. 

 

 

Operacje 

wyżarzania

 

 

Operacje 

hartowania

Wyżarzanie  odprężające 

  -  polega  na  nagrzaniu  do  temperatury 

poniżej  650

0

C  i  powolnym  chłodzeniu.  Jest  stosowane  do  odlewów 

staliwnych  i  żeliwnych,  połączeń  spawanych  lub  elementów 
prostowanych.

Wyżarzanie  izotermiczne 

(  patentowanie 

)  -  polega 

na 

austenityzowaniu  stali  a  następnie  szybkim  ochłodzeniu  do 
temperatury  ok.  500

0

C  i    wytrzymaniu  w  tej  temperaturze  aż  do 

zajścia przemiany perlitycznej. Stosowane do obróbki cieplnej drutu 
na liny i struny.

Wyżarzanie  rekrystalizujące

  -  stosowane  po  uprzednim  zgniocie 

(  obróbce  plastycznej  na  zimno  ),  przeprowadza  się  w  przypadku 
stali  w  temperaturze  poniżej  A

1

,  ale  powyżej  temperatury 

rekrystalizacji. Stosowane w celu usunięcia skutków zgniotu.

Hartowanie 

-  w  przeciwieństwie  do  wyżarzania  prowadzi  do 

powstania  struktury  nierównowagowej.  Celem  zabiegu  jest 
znaczne zwiększenie twardości.

Hartowanie  zwykłe

  -  polega  na  austenityzowaniu  z 

następnym  szybkim  oziębieniem  w  celu  uzyskania  struktury 
martenzytycznej.

Hartowanie  bainityczne

  -  polega  na  austenityzowaniu  a 

następnie  wytrzymaniu  przedmiotu  w  temperaturze  wyższej 
od  temperatury  początku  przemiany  martenzytycznej  przez 
czas dostatecznie długi aby zaszła przemiana bainityczna.  

 

 

Obróbki cieplne a wykres CTPi

Hartowanie zwykłe

(martenzytyczne)

Wyżarzanie izotermiczne

(patentowanie)

Hartowanie

bainityczne

 

 

Jak zahartować 

stal ?



+cm’

’

p+cm

’’

+p

+ 

0,4

5

1

Stal 

45

  ( 0,45% C )  -  w stanie normalizowanym  ma  strukturę  ferrytyczno-perlityczną, 

po nagrzaniu do temp. 850

0

C w jej strukturze występuje 

tylko austenit

, a po gwałtownym

oziębieniu ( zahartowaniu ) w jej strukturze występuje 

martenzyt

. 

Stal 

N10

    (  1  %  C  )    -    w  stanie  normalizowanym    w  strukturze 

występuje perlit i cementyt
wtórny,  po  nagrzaniu  do  temp.  770

0

C  w  jej  strukturze  występuje 

austenit  i  cementyt  wtórny

,  a  po  gwałtownym  oziębieniu 

(  zahartowaniu  )  w  jej  strukturze  występuje 

martenzyt  i    cementyt 

wtórny

. 

 

 

Odpuszczanie 

stali

W wyniku hartowania martenzytycznego stal staje się bardzo 
twarda,  wzrastają  również  jej  własności  wytrzymałościowe, 
natomiast   plastyczne ulegają  silnemu  obniżeniu. Własności 
zahartowanej  stali  można  w  szerokim  zakresie  zmieniać 
stosując odpuszczanie. 

Odpuszczane  niskie 

  (  100250

0

C  )  -  nie 

obniża  twardości,  ale  odpręża  materiał  i 
zmniejsza  jego  skłonność  do  kruchego 
pękania.

Odpuszczane  średnie 

  (  250450

0

C  )  -  jest 

stosowane  w  celu  nadania  obrabianym 
elementom  wysokiej  granicy  sprężystości 
przy 

równoczesnym 

polepszeniu 

ich 

własności plastycznych.

Odpuszczane  wysokie 

  (  450600

0

C  )  - 

powoduje  wyraźne  obniżenie  własności 
wytrzymałościowych 

oraz 

wzrost 

plastycznych. 

W 

wyniku 

rozpadu 

martenzytu  powstaje  struktura  zwana 

sorbitem

.

Połączenie 

zabiegów

 

hartowania 

z 

odpuszczaniem 

średnim 

lub 

wysokim 

nazywamy

 ulepszaniem cieplnym stali.

 

 

Krzywa dylatometryczna 

odpuszczania stali