291
Ćwiczenie 35
OBRÓBKA CIEPLNA STALI
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zbadanie wpływu obróbki cieplnej na właS
ciwoS
ci mecha-
niczne niestopowych stali konstrukcyjnych.
2. WIADOMOR
CI PODSTAWOWE
2.1. Pojęcia ogólne
Obróbka cieplna jest to proces technologiczny, w wyniku którego zmienia się
właS
ciwoS
ci mechaniczne i fizykochemiczne metali i stopów w stanie stałym, przede
wszystkim przez wywołanie zmian strukturalnych, zawsze w wyniku działania tempe-
ratury i czasu, a ponadto bardzo często S
rodowiska oraz  rzadziej  pola magnetycz-
nego lub odkształcenia plastycznego.
Proces technologiczny obróbki cieplnej jest to podstawowa częS
ć procesu
produkcyjnego, podczas którego następuje zmiana właS
ciwoS
ci fizycznych, chemicz-
nych i inny obrabianego cieplnie wsadu.
Operacja obróbki cieplnej jest to częS
ć procesu technologicznego obróbki cieplnej
wykonywana w sposób ciągły na jednym stanowisku obróbki cieplnej i na jednym
wsadzie np. hartowanie, wyżarzanie itp.
Zabieg obróbki cieplnej jest to częS
ć operacji obróbki cieplnej. Zasadniczymi za-
biegami obróbki cieplnej są:
 nagrzewanie, tj. ciągłe lub stopniowe podwyższanie temperatury,
 wygrzewanie, tj. wytrzymanie w temperaturze poS
redniej lub docelowej (np. au-
stenityzowanie),
 chłodzenie, tj. ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury, które może być przepro-
wadzone z małą szybkoS
cią (studzenie) lub dużą (oziębianie),
 wychładzanie, tj. wytrzymanie w poS
redniej lub docelowej temperaturze chłodzenia.
Znaczenie wyżej wymienionych zabiegów obróbki cieplnej oraz pojęć pochodnych
wyjaS
niono za pomocą schematycznego rysunku przedstawionego w układzie współ-
rzędnych temperatura  czas (rys. 35.1).
Opracowała: Anna Rutkowska
292
grz ie ł dze ie
grze ie � d ł dz ie
� dgrze ie grze- d grze- grze- ł - d ł - ł dz ie
ie ie dz ie dz ie
ie
ł dze ie:
st dze ie
st � i e
grz ie ł dze ie
st � i e i głe
grz ie
i głe zi i ie
z s
�er : �. l B F
ieg: �. B, , , L
r ie grze ie
Rys. 35.1. Schemat wyjaS
niający znaczenie pojęć operacji i zabiegów obróbki cieplnej
2.2. Podstawowe wykresy dla obróbki cieplnej stopów żelaza
Podstawą poszczególnych operacji obróbki cieplnej stopów żelaza są: układ rów-
nowagi Fe-Fe3C (rys. 35.2) i wykres przemiany austenitu w warunkach izotermicz-
nych (CTPi) oraz przy chłodzeniu ciągłym (CTPc). Typowy wykres CTPc dla stali
podeutektoidalnej gatunku C45 (45) przedstawiono na rys. 35.3.
Temperatury krytyczne dla stali oznacza się literą  A z indeksem cyfrowym:
A0  temperatura przemiany magnetycznej cementytu (210�C),
A1  temperatura przemiany eutektoidalnej (727�C  linia PSK),
A2  temperatura przemiany magnetycznej żelaza i ferrytu (770�C  linia MO),
A3  temperatura równowagi austenitu z ferrytem (linia GOS),
A4  temperatura równowagi austenitu z ferrytem (linia NJ),
Acm  temperatura równowagi austenitu z cementytem wtórnym (linia SE).
�
t r
te er
1
r zt r cie ł
15
+ err t
15
B
err t
r zt r cie ł
14
1 4
err t
+ ste it
1
r zt r cie ł
r zt r cie ł
+ ce e t t ier t
+ ste it
1
114 �
ste it
F
11
1
1 ste it + ce e t t t r ce e t t + ier t
ste it
lede r t lede r t
+ err t
77 �
ste it +
ce e t t t r
7 7�
err t
7
err t ce e t t erlit + ce e t t t r ce e t t ier t
+ erlit t r + erlit + lede r t rze ie i + lede r t rze ie i
L
, 1 4 4, 5 , 7
1 4 5 7 1
err t + ce e t t trzeci rz d Fe ,
Rys. 35.2. Wykres równowagi układu stabilnego żelazo-węgiel (linie kreskowe) i metastabilnego żelazo-cementyt linie ciągłe)
293
t r ,
te er �
lede r t
erlit
294
�rze ieg ł dze i
. rte z t
. i it+ rte z t
F
. err t+ i it+ rte z t
4. err t+�erlit+ i it+( rte z t
. err t+�erlit
B
s
4
Rys. 35.3.
Wykres przemian austenitu przy chłodzeniu
ciągłym dla stali podeutektoidalnych (CTPc)
z s gat. C45 (45)
Przy znaku temperatury krytycznej dodajemy wskax
nik c (przy nagrzewaniu) lub
wskax
nik r (przy chłodzeniu), np.:
Ac1  temperatura przemiany perlitu w austenit,
Ac3  temperatura końca przemiany ferrytu w austenit przy nagrzewaniu,
Ar3  temperatura początku wydzielania ferrytu z austenitu itp.,
Ar1  temperatura przemiany austenitu w perlit.
Ponadto:
Ms  temperatura początku przemiany martenzytycznej,
Mf  temperatura końca przemiany martenzytycznej.
Do podstawowych przemian zachodzących w stopach żelazo-węgiel podczas chło-
dzenia należą: przemiana perlityczna, bainityczna i martenzytyczna.
2.3. Ważniejsze operacje obróbki cieplnej
2.3.1. Wyżarzanie
Wyżarzanie jest to nagrzewanie do okreS
lonej temperatury, wygrzewanie w tej
temperaturze i chłodzenie z szybkoS
ciami pozwalającymi na uzyskanie struktury bar-
dziej zbliżonej do stanu równowagi.
Rozróżniamy:
 wyżarzanie ujednorodniające (ujednorodnienie, homogenizowanie),
 wyżarzanie zupełne,
 wyżarzanie normalizujące (normalizowanie),
 wyżarzanie niezupełne,
 wyżarzanie sferoidyzujące (sferoidyzowanie),
�
t r
te er
295
 wyżarzanie zmiękczające,
 wyżarzanie izotermiczne,
 wyżarzanie grafityzujące (grafityzowanie),
 wyżarzanie przegrzewające (przegrzewanie),
 wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizowanie),
 wyżarzanie odprężające (odprężanie),
 stabilizowanie.
2.3.2. Hartowanie
Hartowanie jest to austenityzowanie i następne oziębianie z szybkoS
cią umożli-
wiającą uzyskanie struktury martenzytycznej lub bainitycznej (rys. 35.4). Mówi się
wówczas o hartowaniu martenzytycznym lub bainitycznym.
rt ie
7
, ,
7
d� sz z ie s ie
4
d� sz z ie red ie
d� sz z ie is ie
Rys. 35.4.
Zakres temperatur hartowania i od-
puszczania (stali niestopowej) na tle , ,4 , , , , ,4 ,
wykresu żelazo  węgiel
z rt ć gl
W przypadku hartowania martenzytycznego, w zależnoS
ci od sposobu oziębia-
nia, rozróżnia się hartowanie:
 zwykłe (oziębianie ciągłe w oS
rodku o temperaturze niższej od Ms),
 stopniowe (pierwszy stopień oziębiania do temperatury wyższej od Ms w czasie
niezbędnym do oziębienia całego przekroju, lecz nie dłuższym od czasu trwałoS
ci
austenitu; drugi stopień oziębiania do temperatury otoczenia w powietrzu).
�
t r
te er
296
W przypadku hartowania bainitycznego w zależnoS
ci od sposobu oziębiania roz-
różnia się hartowanie:
 zwykłe (z oziębianiem ciągłym),
 z przemianą izotermiczną (z oziębianiem w kąpieli o temperaturze wyższej od Ms
i wytrzymaniu w czasie do całkowitego ukończenia przemiany bainitycznej).
Hartowanie objętoS
ciowe jest to hartowanie, w którym austenityzowanie obej-
muje całą objętoS
ć przedmiotu, zaS
gruboS
ć warstwy zahartowanej jest zależna od
hartownoS
ci materiału i szybkoS
ci chłodzenia.
Hartowanie powierzchniowe jest to hartowanie z szybkim nagrzewaniem (in-
dukcyjnym, płomiennym lub kąpielowym) tylko wierzchniej warstwy materiałów.
Odkształcenia i pęknięcia przy hartowaniu są wynikiem nierównomiernych zmian
objętoS
ci metalu na przekrojach hartowanych elementów. Wynikają one ze skurczu
cieplnego, wywołanego chłodzeniem oraz ze zmian objętoS
ci właS
ciwej, związanych
z przemianami strukturalnymi (austenit posiada najmniejszą objętoS
ć właS
ciwą, a mar-
tenzyt największą). Zmiany objętoS
ci przy przemianie martenzytycznej wynoszą
0,5 1,5% (zależnie od zawartoS
ci węgla w stali); zachodzą one z dużą szybkoS
cią
i są głównym powodem odkształceń i naprężeń hartowniczych.
2.3.3. Odpuszczanie
Odpuszczanie jest to grzanie uprzednio zahartowanego przedmiotu do tempera-
tury niższej od Ac1 i chłodzenie w celu zmiany struktury, właS
ciwoS
ci stali zahartowa-
nej i zmniejszenia naprężeń hartowniczych. W zależnoS
ci od zakresu temperatur roz-
różnia się odpuszczanie (rys. 35.4):
 niskie w zakresie ok. 150� 250�C,
 S
rednie w zakresie ok. 250� 500�C,
 wysokie w zakresie ok. 500� Ac1.
2.3.4. Ulepszanie cieplne
Ulepszenie cieplne jest to połączenie operacji hartowania i wysokiego lub S
red-
niego odpuszczania.
Na rys. 35.5 przedstawiono właS
ciwoS
ci mechaniczne stali gatunku C40 (40) w za-
leżnoS
ci od temperatury odpuszczania.
2.3.5. Utwardzanie wydzieleniowe
Utwardzanie wydzieleniowe (dyspersyjne) jest to połączenie operacji przesyca-
nia i starzenia.
Przesycenie jest to nagrzewanie do temperatury rozpuszczania się faz i następnie
oziębianie w celu otrzymania przy temperaturze pokojowej metastabilnego roztworu
stałego.
297
B
e
,
4
7,
B
e
e
B
, 4
e
Rys. 35.5.
4 7
Wpływ temperatury odpuszczania na wła-
st te �er t r st
S
ciwoS
ci mechaniczne stali gat. C40 (40) rt d� sz z i rz
Starzenie jest to wygrzanie przy temperaturze pokojowej lub przy innej tempera-
turze niższej od temperatury rozpuszczania w celu wydzielenia faz z przesyconego
roztworu stałego o odpowiednim stopniu dyspersji.
Rozróżnia się: starzenie naturalne  w temperaturze otoczenia oraz sztuczne
(przyspieszone)  w temperaturze podwyższonej.
Utwardzanie wydzieleniowe (dyspersyjne) jest to połączenie operacji przesyca-
nia i starzenia.
3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA
Piec elektryczny muflowy typu PEM-1, piec elektryczny muflowy typu PEM-2,
twardoS
ciomierz Rockwella, zbiornik z wodą, zbiornik z olejem, kleszcze kowalskie,
rękawice ochronne, papier S
cierny, młot do badania udarnoS
ci typu Charpy, mikroskop
steroskopowy, próbki do badania udarnoS
ci ze stali gat. C45 (45) (5 sztuk).
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Na podstawie wykresu Fe-Fe3C należy ustalić temperaturę hartowania i normali-
zowania stali gatunku C45 (45). Po nagrzaniu pieca do tejże temperatury, wkłada się
próbki i wygrzewa około 10 12 min. Następnie jedną z nich oziębia w oleju, trzy
w wodzie, a jedną chłodzi w powietrzu. Po całkowitym ochłodzeniu i oziębieniu próbki
szlifuje się z dwóch przeciwnych stron na papierach S
ciernych, po czym przeprowa-
dza się pomiar twardoS
ci wszystkich próbek metodą Rockwella. Jedną z próbek za-
hartowanych w wodzie odpuszcza się w piecu przy temperaturze ok. 200�C, a drugą
298
przy temperaturze 600�C i ponownie mierzy się twardoS
ć obu tych próbek. Po pomia-
rach twardoS
ci przeprowadza się badanie udarnoS
ci wszystkich próbek oraz obser-
wację przełomu na mikroskopie celem okreS
lenia charakteru przełomu.
5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie winno zawierać:
1. krótki opis przebiegu ćwiczenia,
2. wykreS
lne przedstawienie w układzie temperatura  czas przeprowadzonych ope-
racji cieplnych,
3. uzasadnienie doboru temperatury austenityzowania przy hartowaniu i normalizo-
waniu (w oparciu o układ Fe-Fe3C),
4. wykres zależnoS
ci właS
ciwoS
ci mechanicznych badanej stali od temperatury od-
puszczania,
5. tabelaryczne ujęcie wyników pomiarów twardoS
ci (HRC, HB i HV), udarnoS
ci
oraz wytrzymałoS
ci na rozciąganie (obliczonej orientacyjnie z wyników pomiaru
twardoS
ci),
6. ocena budowy strukturalnej badanej stali po całkowitej obróbce cieplnej w formie
tabelarycznej,
7. wnioski.
6. LITERATURA
[1] Dobrzański L. i inni: Metaloznawstwo i obróbka cieplna materiałów narzę-
dziowych. WNT, Warszawa 1990.
[2] Poradnik inżyniera: Obróbka cieplna stopów żelaza. WNT, Warszawa 1977.
[3] Polska norma: Słownik terminów obróbki cieplnej stopów żelaza. PN-EN 10052:
1993.
[4] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1994.
[5] Staub F. i inni: Metaloznawstwo.  R
ląsk , Katowice 1973.
[6] Rutkowska A.: Techniki wytwarzania. T. II. Wybrane zagadnienia z obróbki
cieplnej i cieplno  chemicznej. WPK, Kraków 1998.