6. OBRÓBKA CIEPLNO - PLASTYCZNA
6.1. Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z rodzajami obróbki cieplno  plastycznej i ich wpływem na własno-
ści metali.
6.2. Wprowadzenie
Obróbką cieplno-plastyczną, zwaną potocznie również obróbką cieplno  mechaniczną
nazywamy połączenie odkształcenia plastycznego z obróbką cieplną w taki sposób, aby prze-
miana fazowa zachodziła w warunkach wzrostu gęstości defektów sieci wywołanych od-
kształceniem. Jak wykazały badania, tą drogą można uzyskać wzrost wytrzymałości bez jed-
noczesnego spadku plastyczności.
Wybór technologii obróbki cieplno plastycznej uzależniony jest od rodzaju stopu i zacho-
dzących w nim przemian.
Najprostszymi rodzajami obróbki cieplno-plastycznej w stalach są: hartowanie elemen-
tów bezpośrednio po kuciu lub walcowaniu. Inną technologią jest przyspieszone chłodzenie
wyrobów po obróbce plastycznej przez natrysk wodą, nadmuch sprężonym powietrzem, zanu-
rzenie w zimnej wodzie. Stosuje się także tzw. Wstępną obróbkę cieplno  plastyczną polega-
jącą na odkształceniu plastycznym na zimno, szybkim nagrzewaniu do temperatury austenity-
zowania i szybkim schłodzeniu. Technologie obróbki cieplno  plastycznej umożliwiają
zwiększenie wytrzymałości wyrobów o 20  30% i mogą być stosowane do wszystkich stali.
6.2.1. Podstawowe rodzaje obróbki cieplno - plastycznej
Obróbka cieplna jest dziedziną technologii mającą na celu polepszenie własności mecha-
nicznych i fizyko chemicznych metali i stopów poprzez zmianę struktury w stanie stałym w
wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania ośrodka.
Rodzaje zabiegów obróbki plastycznej przedstawiono na rys. 6.1.
Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali i sto-
pów wyróżniamy następujące rodzaje obróbki cieplnej:
- obróbkę cieplną zwykłą,
- obróbkę cieplno  chemiczną,
- obróbkę cieplno  plastyczną,
- obróbkę cieplno magnetyczną.
Istotą obróbki cieplno  plastycznej jest powstanie podstruktury zależnej od temperatury,
stopnia gniotu, szybkości odkształcenia plastycznego metali i stopów.
W zależności od temperatury w jakiej odkształcamy plastycznie metal można obróbkę
cieplno  plastyczną podzielić na : 1  wysokotemperaturową (WTOCP), 2 - niskotemperatu-
rową (NTOCP), 3  kombinowaną (KOCP) i 4  wielostopniową OCP. Rodzaje tych obróbek
pokazano schematycznie na rys. 6.2; linia zygzakowata oznacza odkształcenie plastyczne.
67
Rys. 6.1. Rodzaje zabiegów obróbki plastycznej [1]
Rys. 6.2. Schemat obróbki cieplno-plastycznej: 1 - WTOCP, 2 - NTOCP, 3 - KOCP,
4 - wielostopniowa OCP (wwwww oznacza odkształcenie) [3]
Obróbka wysokotemperaturowa (WTOCP) polega na odkształcaniu materiału w wysokiej
temperaturze, wyższej niż temperatura rekrystalizacji. Powoduje ona polepszenie własności
ciągliwych i plastycznych przy niewielkich zmianach własności wytrzymałościowych.
Obróbka niskotemperaturowa (NTOCP) polega na odkształceniu plastycznym w tempera-
turze niższej niż temperatura rekrystalizacji, ale powyżej Ms. Powoduje ona zwykle znaczne
zwiększenie wytrzymałości bez pogorszenia własności plastycznych metali i stopów.
Obróbka kombinowana (WTOCP) - odkształcenie materiału następuje zarówno w wyso-
kiej, jak i niskiej temperaturze.
W obróbce cieplno  plastycznej wielostopniowej występuje wielokrotne odkształcenie w
stopniowa obniżającej się temperaturze.
68
Na rys. 6.3 przedstawiono schemat izotermicznych obróbek cieplno  plastycznych stali
polegających na zastąpieniu przemiany martenzytycznej perlityczną lub bainityczną.
Rys. 6.3. Schemat obróbki cieplno-plastycznej z przemianą izotermiczną: 1 - perlityczną (izo-
forming), 2 - bainityczną (wwwww oznacza odkształcenie): a) z odkształceniem bainitu, b) z
odkształceniem austenitu [3]
Dla stopów metali nieżelaznych można stosować obróbki cieplno plastyczne nisko- i wysoko-
temperaturowe jak i obróbki kombinowane.
6.2.2. Wpływ obróbki cieplno  plastycznej na strukturę
W stalach poddanych OCP zachodzi przede wszystkim rozdrobnienie struktury i zwięk-
szenie gęstości defektów. W wyniku WTOCP struktura austenit ulega poligonizacji ze zwięk-
szoną ilością defektów, które przechodzą do martenzytu. Z kolei odkształcenie austenitu w
zakresie 20% powoduje obniżenie Ms a tym samym utrudnia powstawanie martenzytu zwięk-
szając ilość austenitu szczątkowego, który można rozłożyć przeprowadzając wymrażanie.
Wraz ze wzrostem stopnia odkształcenia linia GOS przesuwa się w lewo  dół (rys. 6.4).
Rys. 6.4. Wpływ wielkości odkształcenia (�) na położenie linii na wykresie fazowym
Fe  Fe3C [4]
69
Gdy przeprowadzamy OCP z przemianami izotermicznymi, następuje rozdrobnieni struk-
tury i utworzenie się podstruktury w ferrycie.
Po NTOPC austenit nie może rekrystalizować i wówczas pozostaje duża ilość dyslokacji,
w których segregują atomy węgla i azotu, a wydzielające się dyspersyjne węgliki lub węgliko
 azotki hamują ruch dyslokacji.
W celu uzyskania struktury drobnoziarnistej stali konstrukcyjnej, zapewniającej wysoką
granice plastyczności i niską temperaturę przejścia w stan kruchy stosuje się obniżenie tempe-
ratury końca odkształcenia plastycznego ok. 8500 C. Proces ten stosowany jest w technologii
regulowanego walcowania czy kucia. Schemat regulowanego walcowania stali przedstawia
rys. 6.5.
Rys. 6.5. Schemat regulowanego walcowania stali [1]
Oprócz walcowania regulowanego, w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury ferry-
tyczno-bainitycznej, bainitycznej lub manenzytycznej dla stali z mikrododatkami, stosuje się
wydajniejszą technologię walcowania ze sterowaną rekrystalizacją.
6.2.3. Wpływ obróbki cieplno  plastycznej na własności metali
Obróbka cieplno  plastyczna jest jednym z najtańszych sposobów poprawy własności
mechanicznych wielu stopów. Wpływ OPC na własności stali po odkształceniu � = 85%
przedstawiono w tablicy 6.1 oraz na rys. 6.6 i 6.7.
Tablica 6.1.
Wpływ NTOCP i WTOCP na własności stali po odkształceniu � = 85% [3]
Rodzaj obróbki Gatunek stali Rm R0,2 A
MPa MPa %
NTOCP 40HSNBF 2760(2000) 2260(1660) 5,9(5,5)
40HGSNMF 2800(2110) 2250(1840) 7,1(8,0)
WTOCP 40HSNBF 2370(2000) 2150(1660) 8,1(5,9)
po odpuszcz. 40H2NSMF 2300(1910) 2140(1590) 9,1(6,4) 7,0(6,0)
200�C 50S2G 2700(2250) 2350(1920)
W nawiasach podano własności po ulepszeniu.
70
Rys.6.6. Wpływ stopnia odkształcania w temp. 3290 C na własności stali 37H2NGSM. Po
przemianie bainitycznej stal odpuszczano w 2000C [3]
Rys. 6.7. Wpływ stopnia odkształcenia przy WTOCP na własności mechaniczne stali
50HN4MA [3]
Porównując własności po wysoko- i niskotemperaturowej OCP można zauważyć, że w
wyniku odkształcenia w niskiej temperaturze uzyskuje się materiał o większej wytrzymałości i
mniejszej ciągliwości (małej odporności na kruche pękanie), a w wyniku odkształcenia w wy-
71
sokiej temperaturze - na odwrót. Stosując kombinowaną OCP można osiągnąć zarówno wy-
soką wytrzymałość, jak i dużą ciągliwość.
Stosując OCP z przemianą bainityczną również uzyskuje się dobrą kombinację wytrzy-
małości i ciągliwości, a odporność na rozprzestrzenianie się pęknięć jest nawet dziesięcio-
krotnie większa niż po zwykłym ulepszaniu cieplnym, a ponadto dodatkową korzyścią ze sto-
sowania OCP jest zmniejszenie kruchości odpuszczania stali.
6.3. Pomoce i urządzenia
- ciągarka,
- maszyna wytrzymałościowa,
- skręcarka,
- przeginarka
6.4. Instrukcja do ćwiczenia
- ciągnienie drutu w różnych temperaturach,
- badanie własności wytrzymałościowych i plastycznych na maszynie wytrzymałościowej,
- próba skręcania,
- próba przeginania,
- sporządzenie sprawozdania.
Literatura
1. Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT W-wa 2002
2. Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT W-wa
1998
3. Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT W-wa 2003
4. Przybyłowicz K.: Strukturalne aspekty odkształcania metali. WNT W-wa 2002
Opracował: dr inż. Robert Skoblik
72