WYDZIAA
INŻYNIERII MATERIAA
OWEJ
POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
LABORATORIUM MATERIALOZNAWSTWA
Materiały pomocnicze do ćwiczenia nr 4 pt. :
 OBRÓBKA CIEPLNA STALI KONSTRUKCYJNEJ (ulepszenie cieplne)
Opracował dr inż. Andrzej W. Kalinowski
1. WIADOMOÅšCI WST
PNE
Polska norma PN-76-H/0-01200 obróbkę cieplną definiuje jako  proces technologiczny,
w wyniku którego zmienia się własności mechaniczne i fizykochemiczne metali i stopów w
stanie stałym, przede wszystkim przez wywołanie zmian strukturalnych będących głównie
funkcją temperatury, czasu oraz działania środowiska".
Inaczej można powiedzieć, ze obróbka cieplna ogólnie jest sposobem
wykorzystujÄ…cym przemiany aktywowane cieplnie, jakie zachodzÄ… w metalach, w celu
osiągnięcia wymaganych właściwości mechanicznych czy fizykochemicznych, o ile nie jest
celem zmiana składu chemicznego przypowierzchniowej warstwy metalu. Podstawą jej są
głównie zmiany strukturalne zachodzące w stopach pod wpływem przemian alotropowych i
zmiany wzajemnej rozpuszczalności składników w stanie stałym. Warunkiem możliwości
stosowania wielu rodzajów obróbek cieplnych jest więc konieczność aby przynajmniej jeden
ze składników stopu był polimorficzny lub posiadał zmienną rozpuszczalność innego
składnika w stanie stałym.
Nie zawsze jednak spełnienie któregoś z wymienionych warunków w określonym
stopie i po zastosowaniu do niego obróbki cieplnej da praktycznie opłacalny efekt.
Na ogół w wyniku przeprowadzenia różnych obróbek cieplnych otrzymuje się fazy
lub struktury odległe od stanu równowagi. Jako przykład może posłużyć struktura uzyskana
po hartowaniu stali lub po odkształceniu plastycznym na zimno. W obu przypadkach
struktura odbiega od równowagi, określonej najniższą energią swobodną, a mimo to jest
stabilna o ile nie zostanie poddana działaniu temperatury. Struktury takie nazywa się
metastabilnymi. Zgodnie z prawami termodynamiki istnieć będzie w nich dążność do
osiągnięcia stanu równowagi. Siłą napędową realizacji tej dążności jest różnica energii
swobodnej "F między stanem rzeczywistym (nierównowagowym), uzyskanym po obróbce
cieplnej, a stanem równowagi w określonych warunkach.
Zwykle czynnikiem powodującym uruchomienie procesów powrotu do równowagi jest
dostarczenie do układu pewnej ilości energii (zwykle energii cieplnej) Ogólnie można
powiedzieć, że w wyniku obróbek cieplnych przeprowadzonych w celu uzyskiwania
wyższych właściwości wytrzymałościowych otrzymuje się:
- fazy, struktury nierównowagowe - metastabilne (np. martenzyt w stali),
- duży stopień rozdrobnienia ziarna faz i struktur bliskich stanu równowagi (np. sorbit),
- fazy będące roztworami, w których w pewnych obszarach ziarn wywołuje się grupowanie
atomów drugiego składnika (stref-G-P) co powoduje sprężyste odkształcenie sieci,
skrócenie swobodnej drogi ruchu dyslokacji a w konsekwencji umocnienie stopu.
Uproszczoną istotą obróbki cieplnej w sensie czynności praktycznych jest nagrzewanie
stopu-metalu z określoną prędkością do założonej temperatury, wygrzanie w tej temperaturze
w wymaganym czasie i chłodzenie z różnymi prędkościami. Te cząstkowe okresy obróbki
nazywa się zabiegami a cały ich zespół nosi nazwę operacji.
Warto odnotować, że w naszym kręgu cywilizacji śródziemnomorskiej pewne
obróbki cieplne stosowano do stali już ponad 2OOO lat temu, o czym mówią zapiski greckie
(Pliniusz 23 r pne.) Świadczy to o stałej potrzebie człowieka uzyskiwania coraz lepszych
właściwości materiałów, z których wytwarza się przedmioty użytkowe.
2. ULEPSZANIE CIEPLNE
Najczęściej stosowaną obróbką cieplną do stali konstrukcyjnych, zarówno węglowych
jak i stopowych jest ulepszanie cieplne. Składa się ona z dwóch po sobie następujących
operacji hartowania i odpuszczania. Pod pojęciem ulepszania cieplnego rozumie się
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 oziębienie, w celu uzyskania struktury martenzytycznej
lub bainitycznej ,
-  hartowanie martenzytyczne - hartowanie przy zastosowaniu oziębienia z szybkością
większą od krytycznej, w celu uzyskania struktury martenzytycznej .
Przemiana martenzytyczna, dzięki której przeprowadza się hartowanie, zachodzi w
warunkach, kiedy austenit zostanie przechłodzony do takich temperatur w których bez
wzglÄ™du na rozpuszczony w nim wÄ™giel żelazo ulega przemianie alotropowej FeÅ‚Ò!FeÄ….
Dyfuzja węgla w niskich temperaturach jest tak mała. że można ją pominąć wtedy ma
miejsce tylko przebudowa sieci z RSC (A1) na RPC (A2) Z pewnym uproszczeniem można
powiedzieć, że mechanizm przemiany martenzytycznej polega na przesunięciach płaszczyzn
sieciowych w których biorą udział wszystkie leżące na nich atomy żelaza oraz w taki
sposób. ze atom żelaza w czasie przemiany nie zmienia swoich sąsiadów Ruch najbliżej
siebie lezących 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 dużą prędkością (wynoszącą od 1000
do 7000 m/s) i jest bezdyfuzyjną. Początkowo inicjują przemianę naprężenia cieplne powstałe
w wyniku chłodzenia. Można uznać, ze nie zachodzi ona w stałej temperaturze a w pewnym
jej zakresie - rozpoczyna się w temperaturze Ms (początek przemiany) i kończy w Mf (koniec
przemiany). Zakres ten również nie jest stały lecz obniża się wraz ze w wzrostem zawartości
węgla (rys. 1).
Rys. 1. Wykres początku (Ms) i końca (Mf) przemiany martenzytycznej w zależności od
zawartości węgla
Inną charakterystyczną cechą jest brak wpływu szybkości chłodzenia na temperaturę
początku przemiany. Natomiast szybkość chłodzenia wpływa wyraz
nie na sam przebieg
przemiany. Przy powolniejszym chłodzeniu nieco poniżej temperatury Ms przemiana
zachodzi w większym stopniu, a przy temperaturach znacznie niższych od temperatury Ms (w
przybliżeniu ok. 100°C), gdy już utworzy siÄ™ dość duża ilość martenzytu to przyspieszenie
chłodzenia powoduje większy stopień przemiany.
Produktem jej jest roztwór stały przesycony węgla w żelazie Feą nazwany martenzytem, o
tym samym składzie chemicznym co austenit, W Feł bowiem maksymalna zawartość węgla
w temperaturze eutektoidalnej wynosi 0,02%. Przemianę tę dla uproszczenia można zapisać
symbolami, gdzie podwójny nawias oznacza stan przesycenia:
FeÅ‚ (C) Ò! FeÄ… [(C)]
A Ò! M
Stan przesycenia powoduje charakterystycznÄ… cechÄ™ krystalicznej struktury martenzytu,
którą jest tetragonalność. Znaczy to, że jeden z parametrów liniowych sieci regularnej jest
większy od dwóch pozostałych (rys. 2).
Rys. 2. Elementarna komórka krystaliczna martenzytu
Stopień tetragonalności c/a jest większy od jedności i zależy od zawartości węgla w roztworze
(rys. 3).
Rys. 3. Stopień tetragonalności sieci martenzytu w zależności od zawartości węgla
Im więcej znajduje się węgla w roztworze tym większy jest stopień tetragonalności co
wpływa na właściwości wytrzymałościowe martenzytu i oczywiście stali. Np. twardość
martenzytu zawierającego 0,1% C wynosi mniej niż 30HRC a przy zawartości 0,7% C osiąga
maksymalną wartość 64HRC i przy dalszym wzroście węgla nie zwiększa się już w sposób
znaczÄ…cy.
Mikrostruktura martenzytu ma pewne cechy wyjątkowe. Ziarna martenzytu mają kształt
pÅ‚ytek uÅ‚ożonych częściowo równolegle do siebie i częściowo pod kÄ…tami 60° i 120° (rys. 4).
W płaszczyz
nie zgładu metalograficznego ujawniają się one w kształcie igieł. Stąd w opisie
mikrostruktury martenzytu używa się określenia "iglasty". W zależności od rozmiarów tych
igieł martenzyt dzieli się na gruboiglasty, drobnoiglasty lub skrytoiglasty, gdy przy
największych nawet powiększeniach w mikroskopie świetlnym jest on ledwie widoczny.
Rys. 4. Igły martenzytu: a - schemat, b - w stali węglowej 45, c - mikrostruktura stali 45
w stanie znormalizowanym pokazana w celu porównania ze strukturą martenzytyczną.
Warunki obróbki cieplnej określa się na podstawie wykresów przemiany austenitu w
warunkach przechłodzenia izotermicznego (CTPi-czas, temperatura, przemiana) lub
chłodzenia ciągłego (CTPc) przedstawione na rys. 5. Potocznie wykresy te z uwagi na kształt
linii początku i końca przemiany, nazywa się krzywymi "C".
Ze względu na dużą praktyczną przydatność tych wykresów sporządza się je dla
gatunków stali (węglowych i stopowych) poddawanych obróbce cieplnej. Na ich podstawie
można określić krytyczną szybkość hartowania, ocenić hartowność stali (tj. zdolność do
tworzenia struktury martenzytycznej), śledzić wpływ różnych czynników (np. składu
chemicznego) na trwałość austenitu, określać wspomniane wyżej warunki obróbki cieplnej
itd.
Bardziej przydatne są wykresy CTPc, gdy z praktycznie najczęściej stosuje się
chłodzenie ciągłe. Na wykresach tych podaje się opisy struktur jakie tworzą się w różnych
temperaturach lub przy różnych szybkościach chłodzenia w wyniku przemiany austenitu, jak
również ich twardości Pomiędzy krzywymi początku i końca przemiany nanosi się linie
krzywe podające stopień jej zaawansowania.
Rys. 5. Wykresy przemian austenitu stali podeutektoidalnej otrzymane w warunkach:
a - izotermicznych, b - chłodzenia ciągłego
Na wykresach rzeczywistych, z których jeden przykład pokazano na rys. 6, litery
oznaczają obszary istnienia lub tworzenia się odpowiednich faz lub struktur, liczby udziały
ich w powstałej mikrostrukturze, a liczby w okręgach informują o twardości stali po
przemianie, określone metodą Rockwell'a, Vickers'a lub Brinell'a.
Rys. 6. Wykres przemiany austenitu stali 45 przy ciągłym chłodzeniu. (2)
Jednym z warunków uzyskania struktury martenzytycznej, jak podaje norma jest
chłodzenie stali będącej w stanie austenitycznym z szybkością większą od szybkości
krytycznei hartowania. Szybkość tę definiuje się jako najmniejszą szybkość, przy której
uzyskuje siÄ™ martenzyt. Graficznie przedstawia siÄ™ jÄ… na wykresie  C jako liniÄ™ prostÄ…
styczną do krzywej początku przemiany. Wartość tej szybkości nie jest stała ani uniwersalna
dla wszystkich stali. Zależy bowiem od trwałości austenitu a to wiąże się z położeniem
krzywych  C w stosunku do początku współrzędnych. Na położenie to będą wpływały takie
czynniki jak: skład chemiczny stali, niejednorodność austenitu, wielkość ziarna itp.
Np. wszystkie pierwiastki jakie wprowadza się do stali, jako składniki stopowe prócz
kobaltu przesuwają krzywe  C w prawo, a zatem zmniejszają wartość szybkości krytycznej
hartowania. Przy dużej zawartości odpowiednich składników stopowych wprowadzonych do
stali wartość tej szybkości może być mniejsza od szybkości chłodzenia w spokojnym
powietrzu Takie stale określa się jako  samohartujące się . Potoczne twierdzenie, że w celu
otrzymania martenzytu należy chłodzić stal z dużą szybkością jest mało precyzyjne, na ogół
odnosić się ono może do stali węglowych, których szybkości krytyczne hartowania są
rzeczywiÅ›cie duże (ok. 150°C/s) Znajomość krytycznej prÄ™dkoÅ›ci hartowania pozwala na
dobranie ośrodka chłodzącego gwarantującego wymaganą szybkość chłodzenia dla
obrabialnego cieplnie elementu.
Dla porządku przypomnieć należy, że struktury tworzące się przy mniejszych
szybkościach chłodzenia od szybkości krytycznej lub przy przemianach W warunkach
izotermicznych (rys. 5a) określa się jako struktury typu perlitycznego. Bowiem produktem
przemiany są mieszaniny złożone z ferrytu i cementytu o różnym stopniu rozdrobnienia z
cementytem w kształcie płytek.
Przy małych stopniach przechłodzenia lub niewielkiej szybkości chłodzenia tworzy się
perlit gruby Przy nieco większych przechłodzeniach lub szybkościach chłodzenia  perlit
drobny.
W zakresie temperatur poniżej najmniejszej trwaÅ‚oÅ›ci austenitu tj. ok. 550°C i powyżej
temperatury Ms przebieg przemiany austenitu jest bardziej złożony Znaczny stopień
przechłodzenia zmniejsza możliwości dyfuzyjnego przemieszczania się atomów żelaza,
natomiast atomy węgla wykazują znaczną ruchliwość. Przemiana nie ma więc w pełni
charakteru dyfuzyjnego, a raczej pośredni, mieszany tj. częściowo dyfuzyjny a częściowo
bezdyfuzyjny. Wskutek ograniczonej ruchliwości atomów żelaza bezdyfuzyjnie następuje
zmiana sieci krystalicznej, a tworzÄ…cy siÄ™ ferryt jest przesycony i charakteryzuje siÄ™ iglastÄ…
martenzytycznÄ… budowÄ…. W przemianie tej ferryt jest fazÄ… wiodÄ…cÄ… i powstaje przed
cementytem. Znaczna jeszcze ruchliwość atomów węgla powoduje, że zarówno w ferrycie,
jak i nie przemienionym jeszcze austenicie wydzielajÄ… siÄ™ czÄ…stki cementytu. MalejÄ…ca
zawartość węgla w austenicie ułatwia tworzenie się nowych igieł ferrytu co powoduje, że
przemiana trwa dalej aż do wyczerpania się austenitu. Utworzone w ten sposób produkty
przemiany nazwano bainitem, a przemianÄ™ bainitycznÄ….
Ze względu na znaczną rozpiętość temperatury, w której przebiega przemiana
bainityczna, zauważa się pewne w niej różnice, które zaznaczają się w otrzymanych
mikrostrukturach.
W górnej części zakresu przemiany (550°C - 350°C) dominujÄ…ce sÄ… równolegle uÅ‚ożone
grube płytki ferrytu i równoległe do nich płytkowe wydzielenia cementytu. Tak
uksztaÅ‚towanÄ… strukturÄ™ nazwano bainitem górnym. W dolnej części zakresu (350°C - Ms)
powstajÄ…cy ferryt jest bardziej przesycony. Utworzona struktura jest iglastÄ… mieszaninÄ…
przesyconego ferrytu i bardzo drobnych czÄ…stek cementytu. TÄ™ strukturÄ™ nazwano bainitem
dolnym.
Z krzywej kinetyki przemiany martenzytycznej (rys. 7) wynika, że nie zachodzi ona do
końca w mikrostrukturze stali zahartowanej pozostaje pewna ilość austenitu, który nie uległ
przemianie. Ten austenit nazwano austenitem szczÄ…tkowym (Asz).
Przyczynę pozostawania nie przemienionego austenitu w mikrostrukturze tłumaczy się
tym, że tworzący się martenzyt posiada większą objętość właściwą niż austenit. Powoduje to
powstanie naprężeń strukturalnych, które hamują przemianę austenitu (rys. 4a). Wartość tych
naprężeń jest duża (sięga nawet 650 MPa), tak że zdarza się, że przedmioty podczas
hartowania ulegają Pękaniu (Pęknięcia hartownicze). Austenit szczątkowy jest fazą
niepożądaną w stali zahartowanej gdyż obniża jej właściwości wytrzymałościowe. Wielkość
jego udziału zależy od zawartości węgla w austenicie to znaczy im więcej roztwór zawiera
węgla tym więcej pozostaje austenitu szczątkowego w mikrostrukturze (rys. 8).Podobny
wpływ mają niektóre składniki jak np. Mn, Cr, Ni w stalach stopowych. Ilość Asz zależy
również od temperatury przemiany martenzytycznej Ms. Im jest ona niższa tym więcej
pozostaje austenitu szczątkowego. Obraz mikroskopowy nadmiernej jego ilości pokazano na
rysunku 9.
Rys. 7. Krzywa kinetyki przemiany martenzytycznej
Rys. 8. Wpływ zawartości węgla na ilość Asz w stalach węglowych
Rys. 9 Martenzyt z dużą ilością austenitu szczątkowego (jasne obszary).
Pozbyć siÄ™ go można stosujÄ…c oziÄ™bianie do temperatur znacznie niższych od 0°C.
2. 1. 1. Dobór warunków hartowania
Hartowanie przeprowadza się na gotowych, pod względem kształtu przedmiotach, w
których już zainwestowana zastała praca, materiał i energia. Stąd dobór warunków obróbki
cieplnej musi być poprzedzony dokładną analizą wielu czynników, gdyż przez niewłaściwe
ich ustalenie można nie osiągnąć zamierzonego efektu lub uszkodzić obrabiany przedmiot. Z
tych względów należy przede wszystkim określić:
1. Szybkość nagrzewania, która związana jest z przewodnością cieplną a ta ze składem
chemicznym stali. Stale stopowe posiadają mniejszą przewodność cieplną od stali
węglowych, dlatego nagrzewa się je wolniej. W ten sposób unika się deformacji i zmian
wymiarowych wywołanych naprężeniami cieplnymi i strukturalnymi. Niezależnie od
gatunku stali również wolniej nagrzewa się przedmioty o złożonym kształcie.
2. Temperaturę, do której nagrzewa się przedmiot aby osiągnąć pełną lub częściową
austenizacjÄ™ stali.
3. Czas przetrzymywania przedmiotu w określonej temperaturze konieczny do pełnej
przemiany fazowej, rozpuszczania węglików i uzyskania jednorodności chemicznej.
4. Szybkość chłodzenia w celu otrzymania struktury martenzytycznej. Wiąże się ona z
wartością prędkości krytycznej hartowania i zależnym od niej wyborem ośrodka
chłodzącego (np. powietrza, wody, oleju). Praktycznie unika się dużych szybkości
chłodzenia jeśli to nie jest konieczne, gdyż podobnie jak w zabiegu nagrzewania w
materiale powstają o znacznych wartościach, naprężenia cieplne i strukturalne.
Zakres temperatur, z których hartuje się stale węglowe pokazano na rysunku 10.
Rys. 10. Zakres temperatur hartowania stali węglowych.
Jak istotny wpływ ma temperatura na mikrostrukturę i właściwości prześledzić można na
przykładzie stali narzędziowej węglowej N12. Stal ta jak wynika z symbolu, zawiera
przeciętnie 1,2% C, jest więc stalą nadeutektoidalną. Wykresy przydatne do tej analizy (rys.
11) przedstawiają twardości martenzytu (krzywa c) i twardości stali zahartowanej z różnych
temperatur o różnych zawartościach węgla. Stale nadeutektoidalne hartowane zostały z
temperatur powyżej Accm (krzywa a) i powyżej Ac1 (krzywa b). Z krzywej twardości
martenzytu wynika, że wprowadzenie w czasie hartowania do austenitu węgla więcej niż 0,7 -
0,8% daje niewielki efekt wzrostu twardości martenzytu. Stal N12 zahartowana z temperatury
powyżej Accm (pełna austenizacja) uzyskuje twardość mniejszą niż hartowana z temperatury
Ac1, tj. niepełnej austenizacji. Przyczyną takiego stanu jest większy udział austenitu
szczątkowego w mikrostrukturze stali hartowanej z wyższej temperatury, w której cały węgiel
znalazł się w roztworze (rys. 8). Przypadek taki przedstawia zdjęcie (rys. 9) mikrostruktury
stali N12 zahartowanej z temperatury 1040°C.
Rys 11 Twardość stali w zależności od zawartości węgla i temperatury hartowania;
a - temperatura hartowania powyżej Ac3 i Accm ; b - temperatura hartowania powyżej Ac1
(770°C); c - mikrotwardość martenzytu.
Otrzymana w takich warunkach struktura złożona jest z gruboiglastego martenzytu i
dużej ilości austenitu szczątkowego. Ta sama stal zahartowana z temperatury powyżej Ac1 tj.
z obszaru niepełnej austenizacji, gdzie obok austenitu zawierającego ok. 0,8% C istnieje
cementyt drugorzędowy, ma twardość powyżej 60HRC (krzywa b). Mikrostruktura stali
składa się z martenzytu (o znacznie mniejszych igłach), cementytu (korzystne jest aby
cementyt był ziarnisty a nie tworzył siatki) i pewnej ilości austenitu szczątkowego. Tak więc
hartowanie z temperatury 770°C daÅ‚o oczekiwany efekt - otrzymano materiaÅ‚ twardy i
odporny na ścieranie.
2. 1. 2. Hartowność i przykład jej pomiaru.
Hartowność jest to zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej. Miarą
hartowności jest grubość warstwy zahartowanej do głębokości gdzie w mikrostrukturze
istnieje 50% martenzytu i 50% struktur innych.
Podczas hartowania przedmiotów o większych przekrojach czy średnicach nie
wszystkie warstwy materiału osiągają szybkości chłodzenia większe od krytycznej Vkr jak to
pokazano na rys. 12. Konsekwencją tego będzie utworzenie się różnych struktur na przekroju
przedmiotu od martenzytu w warstwach przypowierzchniowych do perlitycznych we wnętrzu
pręta (rdzeniu) a między nimi istnieć będą struktury mieszane.
Rys. 12. Szybkość chłodzenia w zależności od głębokości warstwy w grubym pręcie
o przekroju okrągłym - a, głębokość warstwy zahartowanej - b.
Przy małych wartościach Vkr warstwa zahartowana będzie grubsza a może zaistnieć i
taka sytuacja, że na całym przekroju przedmiot o znacznych wymiarach uzyska strukturę
martenzytyczną. Oznacza to, że im mniejsza jest Vkr tym grubsza jest warstwa zahartowana.
Cecha ta związana jest z trwałością, przechłodzonego austenitu; im wolniej zachodzi
przemiana austenitu w perlit, tym bardziej krzywe na wykresie izotermicznej przemiany
austenitu przesunięte są w prawo, tym mniejsza jest krytyczna szybkość hartowania i tym
samym większa hartowność stali. Do czynników, które opóz
niają przemianę należy przede
wszystkim skład chemiczny stali. Wszystkie pierwiastki prócz kobaltu opóz
niajÄ… przemiany,
natomiast cząstki nierozpuszczalne, niejednorodność austenitu, wielkość ziarna austenitu będą
ją przyspieszały.
Grubość warstwy zahartowanej określić można na podstawie badań metalograficznych
lub prościej, pomiaru twardości. Ponieważ twardość martenzytu praktycznie zależy od
zawartości węgla, to również twardość strefy półmartenzytycznej zależna jest od niego co
przedstawiono na wykresie (rys. 13a). Korzystając z tego, hartowność stali określa się
mierząc twardość na przekroju zahartowanej próbki w kształcie pręta o przekroju okrągłym
Otrzymana krzywa  U zmian twardości wzdłuż średnicy próbki (rys. 13b), przecięta linia
oznaczającą twardość warstwy półmartenzytycznej graficznie wyznacza grubość warstwy
zahartowanej. Otrzymany wynik odnosi się do określonej stali, średnicy próbki ośrodka
chłodzącego. Dla każdego ośrodka chłodzącego-sposobu chłodzenia istnieje pewna
największa średnica, tego samego gatunku stali przy której hartuje się ona na całym
przekroju. Średnicę tę nazwano średnicą krytyczną.
Rys 13. Twardość strefy półmartenzytycznej w zależności od ilości węgla - a,
rozkład twardości na przekroju zahartowanego pręta.
Znormalizowanym sposobem podanym w PN-79/H-04402, określenia hartowności 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 natężeniu wypływu (rys. 14).
Następnie wzdłuż tworzącej, po obu stronach próbki od powierzchni czoła dokonuje się
pomiaru twardości.
Rys. 14. Schemat chłodzenia próbki podczas badania hartowności metodą
chłodzenia od czoła - a; miejsca pomiaru twardości - b.
Ze średnich pomiaru sporządza się wykres zmian twardości od czoła próbki, na który
nanosi się wartość twardości półmartenzytycznej badanej stali. Istnieje możliwość
wykorzystania tego wykresu do przewidywania grubości warstwy zahartowanej.
3. ODPUSZCZANIE
Drugą część ulepszania cieplnego stanowi odpuszczanie, jeżeli w wyniku hartowania
uzyskano mikrostrukturę złożoną z martenzytu tetragonalnego i pewnej ilości austenitu
szczątkowego (w stalach nadeutektoidalnych trzecim składnikiem strukturalnym jest
cementyt) Obie te fazy są w nierównowadze (metastabilne) Mimo to są dość trwałe ponieważ
procesy dyfuzyjne niezbędne dla powrotu do równowagi nic zachodzą w temperaturach
normalnych. Chcąc uruchomić procesy dyfuzyjne należy je zaktywizować cieplnie co w
praktyce znaczy podnieść temperaturę obrabianego elementu.
Odpuszczanie, norma cytowana wcześniej określa jako -  grzanie przedmiotu
poddanego uprzednio hartowaniu do temperatury niższej od temperatury przemiany
alotropowej i następne chłodzenie w celu otrzymania stanu bardziej stabilnego .
Proces ten można podzielić na stadia, w zależności od temperatury, w których dominują
pewne zjawiska. Powodują one zmiany wymiarowe zahartowanej i odpuszczanej próbki
stalowej co zostało wykorzystane do ich śledzenia na krzywej dylatometrycznej (rys. 15a).
Zakresy temperaturowe poszczególnych stadiów zależne są od składu chemicznego i
częściowo różnią się między sobą.
Stadium I, 80°C - 200°C. DominujÄ…cym zjawiskiem jest wydzielenie siÄ™ nadmiaru
wÄ™gla z przesyconego roztworu i tworzeniu cienkich pÅ‚ytek metastabilnego wÄ™glika µ o
wymiarach 0,1 - 1,0 µm, strukturze heksagonalnej i skÅ‚adzie stechiometrycznym w przedziale
Fe2C-Fe2.4C. Węglik ten jest koherentny z martenzytem. Zjawisko to powoduje zanik
tetragonalności martenzytu, parametr sieciowy ca, (c/a1). Naprężenia własne ulegają
znacznemu obniżeniu co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia wymiarów próbki.
Stadium II, 200°C - 300°C. W stadium tym dalej trwa wydzielanie siÄ™ wÄ™glika µ i zanik
tetragonalnoÅ›ci sieci martenzytu. W temperaturze 300°C w roztworze pozostaje jeszcze ok.
0,2% C. Zjawiska te powodują dalsze obniżenie naprężeń własnych, naprężeń ściskających
austenit szczątkowy, który ulega przemianie na martenzyt lub wg innych poglądów na bainit
dolny. Objętość próbki wzrasta co ujawnia krzywa dylatometryczna (rys. 15a). W praktyce
uważa się, że w tym stadium z austenitu szczątkowego tworzy się martenzyt regularny tj.
pozbawiony tetragonalności nazwany martenzytem odpuszczonym.
Stadium III, 300°C - 400°C. W tym zakresie temperatur dochodzi do caÅ‚kowitego
zaniku przesycenia martenzytu i tworzenia siÄ™ ferrytu. Uruchomiona w znacznym stopniu
dyfuzja powoduje zarodkowanie stabilniejszego od fazy µ cementytu. W wyniku tych zmian
tworzy siÄ™ mieszanina ferrytu i cementytu.
Stadium IV, 400°C - A1. W ostatnim stadium przemian nastÄ™puje wzrost i sferoidyzacja
bardzo drobnych czÄ…stek cementytu. Powyżej 600°C kulki cementytu powiÄ™kszajÄ… siÄ™ w
wyniku intensywnej koagulacji. Rosną również ziarenka ferrytu. Mieszaninę tych faz
tworzÄ…cÄ… siÄ™ do temperatury ok. 680°C nazwano sorbitem (rys. 16). Przemiany strukturalne
zachodzące podczas odpuszczania zahartowanej stali powodują zmiany właściwości
mechanicznych Przebieg tych zmian pokazano na przykładzie stall 45 (rys. 17). Wynika z
niego, że w miarę podwyższania temperatury odpuszczania obniżają się właściwości
wytrzymałościowe a wzrastają plastyczne. Tak więc dobierając temperatury odpuszczania
można kształtować mikrostrukturę i otrzymywać wymagane właściwości stali odpowiadające
projektowym obliczeniom i charakterowi pracy elementu.
Rys 15 Schemat a - krzywej dylatometrycznej odpuszczania zahartowanej stali,
b - przemiany zachodzÄ…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 części maszyn, silników i wiele innych, pracują pod obciążeniem zmiennym
(niekiedy udarowym). Tylko hartowanie tych części byłoby niewystarczające, gdyż stale o
strukturze martenzytycznej, posiadają wprawdzie wysoką wytrzymałość, odporność na
ścieranie i twardość, ale są kruche i nie wykazują cech plastycznych. Ulepszanie cieplne
pozwala więc na uzyskanie optymalnej mikrostruktury, która niejako  godzi własności
wytrzymałościowe i plastyczne. Daje korzystną wartość inżynierskiego wskaz
nika
umocnienia Re/Rm (wartość jego osiąga 0,9).
Rys. 17. Wpływ temperatury odpuszczania na właściwości mechaniczne stali 45. (3)
Stalami, do których stosuje się ulepszanie cieplne są: stale węglowe wyższej jakości
zawierające od 0,25% do 0,6%C (stale średniowęglowe) i przeważnie stale niskostopowe,
których łączna zawartość pierwiastków stopowych nie przekracza zwykle 3,5%.
4. PYTANIA KONTROLNTE
1. Podać definicję obróbki cieplnej.
2. Podać definicję hartowania.
3. Co to jest martenzyt?
4. Co to jest austenit szczÄ…tkowy?
5. Czym różni się przemiana martenzytyczna od przemiany perlitycznej?
6. Co to jest krytyczna prędkość hartowania?
7. Od czego zależy wartość krytycznej prędkości hartowania?
8. Narysować komórki elementarne sieci krystalicznej martenzytu.
9. Od czego zależy ilość austenitu szczątkowego w mikrostrukturze stali zahartowanej?
10. Określić wartość temperatury z której hartuje się stal 40.
11. Określić wartość temperatury z której hartuje się stal N12.
12. Na wycinku wykresu Fe-Fe3C zaznaczyć zakres temperatur, z których hartujemy stale
pod i nadeutektoidalne.
13. Dlaczego hartujemy stale?
14. Z jakich faz składa się mikrostruktura stali zahartowanej?
15. Jak wpływają pierwiastki stopowe na położenie krzywych  C ?
16. Narysować krzywe  C dla stali podeutektoidalnej i zaznaczyć na nich prędkość
chłodzenia, przy których uzyskujemy perlit drobny, bainit górny i martenzyt.
17. Narysować krzywe  C dla stali eutektoidalnej i zaznaczyć na nich prędkość, przy
których otrzymujemy perlit gruby, bainit dolny i martenzyt
18 Narysować krzywe  C dla stali nadeutektoidalnej i zaznaczyć na nich prędkość
krytyczną hartowania i prędkości przy których uzyskujemy perlit drobny i martenzyt.
19. Co to jest sorbit?
20. Co to jest bainit?
21. Co to jest hartowność i od czego ona zależy?
22. Jak mierzy się hartowność?
23. Jakie stale pod względem zawartości węgla poddaje się hartowaniu?
24. Jak zmniejsza się udział austenitu szczątkowego w mikrostrukturze stali zahartowanej?
25. Co znaczy pojęcie martenzyt odpuszczony?
26. W jakim celu przeprowadza siÄ™ 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. Dobrzański   Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali , wyd. Politechnika
ÅšlÄ…ska, Gliwice 1995.
5. K. Przybyłowicz   Metaloznawstwo , WNT Warszawa 1996.