LABORATORIUM MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE W BUDOWIE MASZYN	ĆWICZENIE NR 9,10	Temat ćwiczenia: Hartowność stali
	Grupa M11/I	Ocena ze sprawdzianu:

1. Skorygowane pytania kontrolne

1. Od czego zależy utwardzalność stali?

Utwardzalność stali zależy od ilości węgla zawartego w stali.  Na rzeczywistą twardość po hartowaniu wywiera wpływ zarówno nasycenie martenzytu węglem (wynikające z zastosowanych parametrów austenityzacji) oraz zawartość  martenzytu w strukturze.

1. Jak wpływa zmiana hartowności na krytyczną średnicę i krytyczną szybkość chłodzenia.

Wraz ze wzrostem hartowności wzrasta średnia krytyczna, a maleje szybkość krytyczna chłodzenia.

1. Od czego zależy przehartowywalność stali?

Przehartowywalność stali zależy od składu chemicznego stali a także od jednorodności austenitu i wielkości ziarna przed chłodzeniem.

1. Od czego zależy hartowność stali.

Zależy od:

- składu chemicznego stali,

- jednorodności austenitu

- wielkości ziarna austenitu

5. Od czego zależy twardość stali.

Twardość stali zależy przede wszystkim od nasycenia martenzytu węglem i udziału martenzytu w strukturze.

6. Co przedstawia pasmo hartowności.

Jest to pewien rozrzut twardości w pewnej odległości dla pewnego rodzaju stali.

6. Do wytopów odnosi się górna a do jakich dolna granica pasma hartowności.

Górna granica odnosi się do wytopów bogatych w pierwiastki stopowe, a dolna do tych o uboższej zawartości tych pierwiastków.

6. Jak na hartowność  wpływa zawartość węgla w stali.

Zawartość węgla w stali podnosi jej hartowność.

6. Jak na hartowność  wpływają pierwiastki stopowe w stali.

Pierwiastki stopowe( z wyłączeniem kobaltu) zwiększają hartowność.

10. Na jaki czynnik związany z hartownością wpływa wielkość ziarna stali.

Wielkość ziarna stali wpływa na średnią krytyczną.

1. Obliczeniowa metoda wyznaczania hartowności stali

Pomoce: - Leksykon materiałoznawstwa, wyciągi z kart materiałowych, normy,
instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych.

Dla wskazanych w poniższej tabeli gatunków stali o wielkości ziarna nr 5 i nr 10 oraz minimalnego i maksymalnego poziomu stężenia węgla i pierwiastków stopowych obliczono średnice krytyczne: D_I, D₉₀ i D₅₀ dla ośrodków idealny, woda, olej. Wyniki obliczeń przedstawiono tabelarycznie. Dokonano porównania wyników obliczeń z wartościami zamieszczonymi w stosownej karcie materiałowej.

Dane do obliczeń:

Grupa	Gatunek stali wg PN-EN	Gatunek stali wg PN
1	C 30	30
	30 CrNiMo 8	30H2N2M
2	C35	35
	34 CrMo 4	35HM

Tabela 1. Skład chemiczny badanych stali wg normy (Baza Leksykon Materiałoznawstwa)

Gatunek stali wg PN-EN	Gatunek stali wg PN	Skład chemiczny, (%)
		poziom
C 30	30	min
		max
30 CrNiMo 8	30H2N2M	min
		max

Wzory i wykresy, które posłużyły do obliczeń i odczytu wartości:

D_I50 = D_IC * k₁ * k₂ * k₃ ...... * k_n

gdzie:

D_I50 - idealna średnica krytyczna stali stopowej przy założeniu występowania w osi pręta 50% martenzytu;

D_IC - idealna średnica krytyczna stali węglowej o określonej zaw. węgla i wielkości ziarna, odnosząca się do 50% martenzytu w strukturze odczytana z wykresu:

k₁ .... k_n - mnożniki określające wpływ pierwiastków stopowych na zmianę hartowności stali odczytane z wykresu:

Tabela 2. Wyznaczone średnice krytyczna idealne stali węglowych, mnożniki pierwiastków stopowych i średnice krytyczna idealne stali

Stal	%C	ziarno	Dic	KMn	KSi	KCr	KNi	KMo	Di50
C 30	min:0,27	10	10,3	1,7	1	1	1	1	20
		5	14						25
	max:0,34	10	11,5	2,25	1	1,35	1,15	1	40
		5	16						55
30 CrNiMo 8	min:0,26	10	9,8	1,35	1	4	1,65	1,45	130
		5	13,2						170
	max:0,34	10	11,5	1,85	1	4	1,8	1,8	275
		5	16						385

Wykres 1. Związek idealnych i rzeczywistych średnic krytycznych w zależności od intensywności hartowania H (wg Grossmanna).

Wykres 2. Zależność idealnych średnic krytycznych od przyjętego kryterium hartowności (zawartości martenzytu w osi pręta).

Tabela 3. Wyniki badania średnic krytycznych stali C 30 i 30 CrNiMo 8 wyznaczonych metodą obliczeniową z uwzględnieniem 2 wielkości ziarna oraz skrajnych stężeń węgla i pierwiastków stopowych

Stal	Stężenie Pierwiastków	ziarno	Di50	D50/woda H = 1,5	D50/olej H = 0,4	Di90	D90/woda H = 1,5	Di90/olej H = 0,4
C 30	min	10	20	20	10	20	20	10
		5	25	25	15	25	25	15
	max	10	40	30	20	35	30	15
		5	55	40	25	45	35	20
30 CrNiMo 8	min	10	130	110	85	95	85	45
		5	170	150	120	125	115	75
	max	10	275	245	215	205	185	155
		5	385	346	255	290	260	205

- min. - dla najmniejszych zawartości C i pierwiastków stopowych.

- max. - dla maksymalnych zawartości C i pierwiastków stopowych

Wnioski:

1. Im mniejsze ziarno tym większa średnica krytyczna. Wynika z tego że wielkość ziarna ma wpływ na średnicę krytyczną.

2. Duży wpływ na średnicę krytyczną ma stężenie pierwiastków stopowych i węgla.

2. Badania hartowności stali metodą Jominy

Próbka ( stal 35HgS ) do pomiaru twardości była wygrzewana w piecu przez ok. 30 min w temperaturze 850°C. Chłodzona była od czoła za pomocą przenikalności cieplnej w specjalnie przygotowanym przyrządzie, którego parametry są ściśle określone normą.

- Rurka powinna mieć długość 12,5 mm;

- odległość uchwytu od rurki powinna mieć 12,5 mm;

-wysokość słupa wody 65 mm.

- Temperatura otoczenia powinna wynosić 20°C±5°C.

- Chłodzenie próbki powinno przebiegać ok 10-15 min.

Powierzchnia próbki podczas wygrzewania się utlenia. Po wychłodzeniu należy próbkę poddać szlifowaniu. Należy zebrać 0,4-0,5 mm warstwy. Pomiar twardości wykonany był na twardościomierzu Rockwella.

Rys.1. Przedstawia metodę chłodzenia od czoła.

Rys.2. Przedstawia odległości pomiarów twardości na twardościomierzu Rockwella

Wyniki próby hartowności stali 35HgS

Tabela 4. Przedstawia wyniki pomiaru twardości na twardościomierzu Rockwella

Twardość, [HRC]	Odległość od czoła, [mm]
	1,5
	55

Średnia twardość wynosi 39,32 HRC.

Rys.3. Przedstawia wykres Jominy stali 35HgS, temperatura hartowania : 850°C.

3.2. Zadanie 1

Na podstawie wykresu Jominy wyznacz dla badanej stali średnice krytyczne. W tym celu:

a) posługując się wykresem określającym twardości stali w funkcji zawartości węgla i struktury (rys.poniżej), określ % zawartość węgla w stali zakładając, że na czole próbki występuje 99,9% martenzytu,

b) Dla ustalonej zawartości węgla w badanej stali, z wykresu na rysunku poniżej określ twardości odpowiadające 50, 80 i 90% martenzytu,

c) Na wykresie Jominy sporządzonym dla badanej stali określ w jakiej odległości od czoła występują twardości wskazujące na występowanie w strukturze 50, 80 i 90% martenzytu

Twardość HRC	56	%C	50	47	44
% martenzytu	99,9	b) 0,40	90	80	50
Odległość od czoła, mm	2		14	18	22

d) Posługując się wykresami korelacji szybkości chłodzenia próbki Jominy oraz szybkości chłodzenia pręta hartowanego w wodzie i oleju, określ średnice krytyczne:

Średnica krytyczna , [mm]
D50 (olej)
D80 (olej)
D90 (olej)
D50 (woda)
D80 (woda)
D90 (woda)

3.3. Zadanie 2

Na podstawie krzywej Jominy wyznacz rozkład twardości na przekroju pręta o średnicy
100 mm, który został poddany hartowaniu w oleju. W tym celu:

1. z wykresu przedstawiającego korelację szybkości chłodzenia prętów w oleju wyznacz odległości X_i odpowiadające odległościom od czoła próbki Jominy, które stygną z taką samą szybkością jak pręt w osi oraz w odległościach: 0,5R; 08R i R od osi. Wartości X_i zapisz w kolumnie 2 tabeli.

1. Wartości X_i zapisz w kolumnie 2 tabeli.

2. Z wykresu Jominy odczytaj twardości w wyznaczonych odległościach od czoła próbki i zapisz w kolumnie 3 tabeli.

Odległość od osi pręta	Odległość od czoła Xi	Twardość HRC
R (powierzchnia)	X1 = 20	45
0,8 R	X2 = 35	42
0,5 R	X3= 55	27,5
0 (oś)	X4 = 70	23

1. Posługując się programem Excel narysuj rozkład twardości na przekroju pręta o średnicy Ф 100 mm po hartowaniu w oleju.