HARTOWNOŚĆ STALI

Materiały dydaktyczne do wykładu „Wprowadzenie do inżynierii materiałowej”

1. Wprowadzenie do zagadnienia

Pojęcie „hartowanie” jest Nam wszystkim powszechnie znane z wykładów metaloznawstwa i dla przypomnienia oznacza ono operację stosowaną w obróbce cieplnej metali polegającą na nagrzaniu i wytrzymaniu w temperaturze powyżej temperatury eutektoidalnej oraz oziębieniu w celu uzyskania większej twardości i wytrzymałości materiału poprzez uzyskanie martenzytycznej struktury. Czymże, zatem jest pojęcie hartowności wobec tego? W najogólniejszym rozumieniu tego słowa hartowność oznacza zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej podczas ochładzania jej od temperatury austenityzowania. To, że podczas hartowania powstaje z austenitu martenzyt każdy, kto uczestniczył w zajęciach z materiałoznawstwa wie, ale wiadomo również, że nie zawsze w całym przekroju naszego obrabianego przedmiotu uzyskamy martenzyt. Uzyskamy również struktury występujące kolejno tak jak ma to miejsce na wykresie CTPc. Dzieje się tak, ponieważ do uzyskania martenzytu niezbędne jest chłodzenie z prędkością równą, co najmniej prędkości krytycznej. Prędkość taką stosunkowo łatwo uzyskać jest na powierzchni, lub w przypadku małych przedmiotów, a co z tymi „dużymi”? Prędkość chłodzenia w rdzeniu przykładowego wałka z pewnością będzie różna od tej, co jest na powierzchni. Zatem uzyskamy na zewnętrznej warstwie martenzyt a dalej poprzez struktury pośrednie dojdziemy do np. perlitu w rdzeniu. Tak, więc pojęcie „hartowności” pozwoli nam przewidzieć podobne zachowanie materiału w odpowiednich dlań warunkach obróbki cieplnej. Nasuwa się pytanie, co przyjąć za miarę hartowności? Miarą taką jest głębokość warstwy zahartowanej. Wyznacznikiem zahartowanej warstwy jest tzw. strefa półmartenzytyczna tzn. taka strefa, która zawiera, co najmniej 50% martenzytu. Taka umowa pozwala na pójście krok dalej i dzięki znajomości twardości strefy półmartenzytycznej możemy podczas badań konkretnych próbek ocenić stopień zahartowania, hartowności próbki (jak? - o tym będzie w dalszej części pracy). Wspomniana twardość strefy półmartenzytycznej zasadniczo zależy przede wszystkim od zawartości węgla tylko w stalach niestopowych. Zależność ta jest zaprezentowana na rys. 1. W niniejszym wprowadzeniu dojdą jeszcze 2 pojęcia związane z tematyką hartowności; średnica krytyczna D_k i krytyczna średnica idealna D_i. Znaczenie tych pojęć zostanie tu zaprezentowane, zaś jak domniemam w opisie poszczególnych metod badania hartowności stali definicje te nabiorą szczególnego znaczenia. Zatem średnicą krytyczną D_k nazwiemy największą średnicą okrągłego pręta, w którym po zahartowaniu w określonym środowisku chłodzącym uzyskuje się w osiowej części przekroju strukturę o określonej zawartości martenzytu, - co najmniej 50% martenzytu (zgodnie z umową - patrz strefa półmartenzytyczna). Czasem można spotkać oznaczenie np. D₉₀, - co oznacza strefę o zawartości 90% martenzytu. Krytyczną średnicą idealną D_i nazwiemy taką samą krytyczną (maksymalną) średnicę wałka, dla której zahartuje się on na wskroś (przyp. conajmniej strefa półmartenzytyczna) przy założeniu medium o idealnym odbiorze ciepła - z nieskończenie dużą szybkością, inaczej - to taka średnica, która zahartuje się na wskroś niezależnie od medium chłodzącego - to jest podstawowa różnica między D_k i D_i. O zależności między D_i, a D_k traktuje rysunek 2 zwanym w literaturze normogramem do określania hartowności.

Rys. 2. Normogram do wyznaczania D_i

W całych tych dotychczasowych rozważaniach wspomniano o tym, co to jest hartowność, czym ją opisujemy nie mówiąc wprost, od czego ona zależy ani jak ją wyznaczać. Znane są 2 podstawowe metody doświadczalne wyznaczania hartowności; metoda krzywych U i metoda Jominy'ego odległości od czoła. Obie te metody zostaną w dalszej części niniejszego opracowania omówione. Znane są też empiryczne matematyczne zależności, co też w dalszej części będzie skrótowo opisane. Wracając do czynników, które wpływają na hartowność z pewnością zdążyliśmy się zorientować, że wpływ ma tu medium chłodzące, geometria materiału, intensywność chłodzenia, - czyli wszystkie czynniki zewnętrzne. Zaś głównymi, czynnikami stanowiącymi o hartowności stali są przede wszystkim:

• Skład chemiczny austenitu przed hartowaniem -wzrost zawartości węgla w austenicie powoduje przedłużenie trwałości austenitu i zwiększenie hartowności

• Wielkość ziarna i jego jednorodność - jednorodność zwiększa trwałość austenitu, bowiem w jednorodnym austenicie jest mniejsze prawdopodobieństwo powstawania zarodków niezbędnych do przemiany, a więc przyczynia się to do zwiększenia trwałości austenitu (a także i hartowności - patrz punkt wyżej). Granice ziaren są z kolei idealnym miejscem do zarodkowania. Więc nie trudno wydedukować, że im większe ziarno tym hartowność stali rośnie

• Obecność nierozpuszczalnych cząstek takich jak; węgliki, azotki, tlenki etc. - te cząstki mogą być aktywnymi zarodkami, od których rozpoczyna się przemiana eutektoidalna. W związku z tym trwałość przechłodzonego austenitu maleje, a wraz z nią wobec tego maleje hartowność

2. Badanie hartowności metodą U krzywych

Metoda ta polega na badaniu twardości zahartowanych próbek o wzrastających średnicach. Próbki przygotowane do takich badań powinny mieć długość czterokrotnie większą od mierzonej średnicy. Próbki po zahartowaniu są przecinane w połowie i na przekroju poprzecznym mierzy się twardość na dwóch prostopadłych sobie średnicach skokowo zbliżając się z pomiarami od rdzenia do powierzchni. Tak zarejestrowane wielkości zestawia się w układzie twardość [HRC] - średnica próbki [mm] jak to widać na rysunku 3.

Rys. 3. Krzywe U rozkładu twardości wzdłuż średnic próbki

Z rysunku widać, czemu metoda zawdzięcza sobie swoją nazwę. Na tej podstawie można wyznaczyć z wykresu wartość krytycznej średnicy D_k po uprzednim naniesieniu na wykres poziomej linii twardości strefy półmartenzytycznej w naszym przypadku na rys. 3 zaznaczono odpowiednią średnicę D_k na tle wspomnianej linii. Mając D_k za pomocą odpowiednich normogramów (np. takich jak na rys. 2) można wyznaczyć średnicę idealną D_i. Należy podkreślić wadę metody krzywych U - pracochłonność i stosunkowo dużą liczbę próbek użytych do badań.

3. Metoda badania hartowności Jominy'ego

Metoda ta pozwala usunąć podstawową niedogodność w stosunku do krzywych, U jaką jest duża liczba pomiarów. Metoda ta polega na ocenie hartowności na podstawie wyników pomiarów twardości wzdłuż tworzącej po uprzednim jej zahartowaniu od czoła. Stanowisko do badań tą metodą wygląda tak jak na rys. 4.

Rys. 4. Schemat urządzenia do badania hartowności metodą Jominy'ego

1 - uchwyt próbki, 2 - próbka, 3 - przesłona, 4 - dysza do wody, 5 - wanna, 6 - zawór do regulacji wytrysku wody, 7 - zbiornik wody

Czoło badanej próbki jest chłodzone z bardzo dużą szybkością za pomocą odpowiednio dobranego strumienia, a im dalej od czoła tym szybkości chłodzenia są coraz mniejsze. To pozwala po ochłodzeniu próbki i zeszlifowaniu z dwóch przeciwległych tworzących warstwy o grubości 0,4 [mm] można przeprowadzić pomiary twardości na przeciwległych tworzących próbki począwszy od jej czoła wzdłuż próbki. Po uśrednieniu wartości tych twardości (z dwóch przeciwległych tworzących). Zapisem wyników może być wykres taki jak na rysunku 5.

Rys. 5. Wyniki pomiarowe badania hartowności metoda Jominy'ego, linia kreskową zaznaczono twardość strefy półmartenzytyczną

Na takim wykresie można także przedstawić szybkość chłodzenia, która im dalej od czoła tym jest mniejsza, co z pewnością nie ujdzie Waszej uwadze na rys. 5. Mając prędkość chłodzenia w zadanych odległościach od czoła można z normogramu (rys. 2) odczytać krytyczne wartości D_i i D_k. W praktyce często można spotkać zapis J40/12, co oznacza twardość 40 HRC w odległości 12 mm od czoła próbki.

Obie te metody łączą wielkości D_i i D_k, które dzięki tym badaniom można wyznaczyć często jak już zasygnalizowano potrzebne są takie wielkości D₈₀, D₇₀ etc, które zapewnią lepsze warunki pracy analizowanego obiektu aniżeli struktura pólmartenzytyczna, ale nic straconego z takich badań bowiem na podstawie znajomości D_i i D_k można za pomocą odpowiednich normogramów określić żądane wielkości D_n (n - procent martenzytu).

4. Metoda analityczna Grossmanna

Metoda ta polega na czysto teoretycznym wyznaczeniu za pomocą szacunkowych wzorów obliczeniowych żądanych wielkości Dk i Di, a także pozwala na wyznaczenie takiej średnicy dla stali zawierającej dodatki stopowe.

(1)

Gdzie: D_iC - idealna średnica krytyczna dla stali niestopowej o %C zaw. węgla

k- stała zależąca od rozmiaru ziarna

Pierwiastki stopowe zwiększają hartowność, tak, więc obliczenie idealnej średnicy krytycznej sprowadzi się do modyfikacji wzoru (1). Najogólniej można to ująć w zależność;

(2)

Gdzie F jest wielkością ujmującą wpływ ogólny wszystkich pierwiastków stopowych w rozpatrywanej stali, która „skaluje” (wielkość F) nam D_iC, wartość F dla „n” pierwiastków stopowych można wyznaczyć za pomocą;

(3)

Przy czym B_j - stała charakterystyczna dla „j” - tego pierwiastka

M_j - wykładnik potęgowy równy procentowej zawartości tego pierwiastka

Wszelkie wielkości zarówno Bj i Mj można bez trudu odnaleźć w odpowiednich tabelach jak i wykresach w literaturze przedmiotu. Nam one nie są w tej chwili potrzebne, bowiem, przytoczona metoda ma pokazać dla celów dydaktycznych główne idee i założenia modelu matematycznego.

O korzyściach płynących z wiedzy na temat hartowności nie muszę chyba nikogo przekonywać zwłaszcza „Zipków”, którzy na zagadnienia techniczne spoglądają (lub będą spoglądać) przez pryzmat ekonomii a co za tym idzie racjonalny dobór materiałów konstrukcyjnych, którego nie sposób sobie wyobrazić bez znajomości hartowności.

LITERATURA:

[1] Haimann R., Metaloznawstwo, Wyd. PWr., Wrocław 1980

[2] Haimann R. (red.) Ćwiczenia laboratoryjne z materiałoznawstwa, Wyd. Pwr, W-w 1980

[3] Dudziński W. (red.), Materiały konstrukcyjne w budowie maszyn, Oficyna wyd. PWr, Wrocław 1994

1

Rys. 1. Zależność między twardością strefy półmartenzytycznej a zaw. węgla.

---