Politechnika Warszawska

Wydział Transportu

Materiałoznawstwo

Rok akademicki 2011/2012

Nazwisko i imię	Grupa/ podgrupa	Ocena
Hałabuda Karolina	T3/C

Ćwiczenie nr 1

Temat: Obróbka cieplna stali.

Data wykonania ćwiczenia:	Data oddania sprawozdania:
24-10-2011	07-11-2011

Obróbka cieplna

Własności wytrzymałościowe i technologiczne stali związane są z jej mikrostrukturą zależną w zasadniczy sposób od obróbki cieplnej tj. procesu polegającego na magazynowaniu, wygrzaniu oraz schłodzeniu obrabianego materiału. Wykorzystując fizykochemiczne zjawiska występujące przy ogrzewaniu i oziębianiu stali można doprowadzić do wytworzenia się w niej najbardziej pożądanych składników strukturalnych, nadających jej określone własności, np. aby materiał poddany obróbce cieplnej był wytrzymalszy, twardszy i sprężystszy. Cykl zmian temperatury rozpoczynający się w temperaturze otoczenia nazywa się zabiegiem cieplnym. W najprostszym przypadku składa się on z dwóch okresów: wygrzewania oraz chłodzenia. Zabiegi cieplne mogą się różnić się między sobą szybkością nagrzewania i chłodzenia oraz wysokością temperatury wygrzewania i czasem jej trwania. Do zabiegów cieplnych zaliczamy:

• Hartowanie,

• Wyżarzanie,

• Odpuszczanie (jedna z metod wyżarzania)

Hartowanie – jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzewaniu przedmiotu do ustalonej temperatury (nieco wyższej - o ok. 30 do 50 °C od temperatury powstawania austenitu), a następnie na szybkim jego schłodzeniu (z szybkością większą od krytycznej). Hartowanie może odbywać się tylko i wyłącznie z austenitu. Celem hartowania jest otrzymanie struktury martenzytycznej (martenzytu czyli przesyconego roztworu węgla w żelazie α) w możliwie dużej części przedmiotu. Za stal zahartowaną uważamy stal w której występuje powyżej 50% martenzyt i poniżej 50% bainitu.

Jeżeli stal węglową lub niskostopową nagrzejemy do temperatury w której jest ona w stanie austenitycznym i następnie gwałtownie ochłodzimy to rozpuszczony cementyt nie zdąży wydzielić się z powrotem i otrzymamy strukturę zwaną martenzytem. Martenzyt jest nadzwyczaj drobnoziarnisty i zapewnia największą twardość stali.

Przemiana austenitu w martenzyt rozpoczyna się w określonej temperaturze zależnej od składu chemicznego stali. Przemiana ma charakter bezdyfuzyjny (szybkie stygnięcie). Temperaturę hartowania stali określa się w zależności od temperatur A₁, A₃, A_cm odczytanych z wykresu żelazo-węgla. Optymalna temperatura hartowania stali podeutektoidalnych (poniżej 0,77% węgla) jest o 30-50º C wyższa od temp. A_C3 a stali eutektoidalnych(0.77% węgla) i nadeutektoidalnych (powyżej 0.77% węgla) wyższa o 30-50º C od temp. A_C1. Jeżeli hartowanie odbywa się w temperaturze zbyt wysokiej to ziarna austenitu rosną i po wystudzeniu takie zostają. Stal w tym przypadku będzie zahartowana ale także krucha.

Stale niehartowne są to stale z zawartością węgla do 0.2%;

Stale trudno hartujące mają zawartość węgla 0.2% - 0.4% ;

Stale hartowne zawierają powyżej 0.4% węgla.

Wyróżniamy następujące rodzaje hartowania:

• Hartowanie zwykłe

• Hartowanie stopniowe

• Hartowanie izotermiczne

Hartowanie zwykłe – polega na oziębianiu w jednym ośrodku hartowniczym. Ujemną stroną jest wyzwalanie się znacznych naprężeń hartowniczych. Chłodzenie do temperatury poniżej przemiany martenzytycznej przebiega w sposób ciągły i bez gwałtownej przemiany szybkości chłodzenia. Dla stali wysokowęglowych hartowanie takie daje strukturę martenzytyczno – bainityczną.

Hartowanie stopniowe – występuje w dwóch ośrodkach i umożliwia dokładną regulację czasy wytrzymywania w pierwszej cieczy hartowniczej. Element oziębia się w kąpieli solnej o temperaturze M_s (30-50⁰C) i wychładza na powietrzu. Czas wychładzania w pierwszym ośrodku nie może przekroczyć czasu trwałości przechłodzonego austenitu. Sposób ten zmniejsza naprężenia hartownicze strukturalne i cieplne.

Hartowanie izotermiczne – jest hartowaniem bainitycznym, nie wymagającym, odpuszczania. Polega na oziębianiu przedmiotu w kąpieli o temperaturze wyższej od M_s (250-400⁰C) i wytrzymaniu w niej przez czas zapewniający całkowite zakończenie przemiany bainitycznej. Przy wysokiej twardości (45-55 HRC) uzyskuje się wyższą plastyczność i udarność niż przy hartowaniu martenzytycznym.

Wyżarzanie:

Wyżarzanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzewaniu materiału do wymaganej temperatury, wygrzewanie w tej temperaturze i następnie studzenie z małą szybkością. Celem wyżarzania jest osiągnięcie odpowiednich własności materiału.

Rodzaje wyżarzania:

Wyżarzanie ujednoradniające

Inaczej nazywane jest homogenizacją, jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stali do temperatury powyżej linii GSE na wykresie układu żelazo-węgiel, często o 100-250^oC poniżej solidusu.

Ujednorodnianie przeprowadzamy zwykle na wlewkach, zwłaszcza stali stopowej lub odlewach staliwnych. Ujednoradnianie ma na celu usunięcie drogą dyfuzji w stanie stałym niejednorodności chemicznej ziaren (segregacji dendrytycznej) i częściowo wydzieleń na granicach ziaren. Proces ujednoradniania odbywa się w temperaturze 1100⁰C-1150⁰C w czasie 12-15 godzin, a powolne studzenie przeprowadzamy do temperatury 200-250^oC.

Wyżarzanie normalizujące

Nazywane jest inaczej normalizowaniem i polega na nagrzaniu staliwa do temperatury 50⁰C powyżej przemiany A₃ lub A_cm, wygrzaniu aż do usunięcia roztworu węgla w Fe γ i studzeniu w spokojnym powietrzu. Normalizowanie przeprowadzamy w celu otrzymania jednorodności i rozdrobnionej struktury, co polepsza własności wytrzymałościowe stali oraz jej przydatność do obróbki skrawaniem.

Wyżarzanie zupełne

Jest pewną odmianą wyżarzania normalizującego. W tym przypadku nagrzewanie i wygrzewanie przeprowadzamy identycznie, jak dla normalizowania, natomiast chłodzenie jest powolniejsze i odbywa się w zakresie przemian w piecu który stygnie bardzo wolno. Pozwala to na całkowite przeprowadzenie przemian fazowych w stali zgodnie ze stanem równowagi. Dzięki temu uzyskuje się dobrą plastyczność stali, małą twardość i dobrą obrabialność. Wyżarzanie zupełne stosuje się głównie do stali stopowych, które przy większych szybkościach chłodzenia wykazują skłonność do powstawania struktur twardych, jak np. martenzyt.

Wyżarzanie sferoidyzujące

Sferoidyzowanie polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do A_C1, wygrzaniu w tej temperaturze przez pewien czas (kilkanaście godzin) oraz wolnym chłodzeniu, aby przejść do temperatury A_r1. Po takiej obróbce cieplnej otrzymuje się strukturę cementytu kulkowego na tle ferrytycznym. Temperatura wyżarzania sferoidyzującego stali węglowych jest zmienna i wzrasta wraz z zawartością węgla w stali. Po sferoidyzowaniu otrzymujemy strukturę dość różną w zależności od rodzaju stali, temperatury, czasu wygrzewania oraz do skłonności stali do gruboziarnistości lub drobnoziarnistości.

Niekiedy w celu przeprowadzenia zmiękczania stosuje się wygrzewanie wahadłowe stali. Polega ono na ogrzaniu stali do temperatury przekraczającej temperaturę przemiany A_C1 oraz na studzeniu do temperatury niższej od temperatury przemiany A_r1 . Taki cykl zmian temperatury powtarza się kilkakrotnie. Wyżarzanie zmiękczające stosuje się głównie do tych stali, w których występują duże kryształy cementytu w perlicie oraz siatka cementytu otaczają pierwotne ziarna austenitu. Wygrzewanie to wokół punktu A₁ prowadzi do rozdrobnienia cementytu.

Wyżarzanie rekrystalizujące

Przeprowadzamy je po zgniocie na zimno. Temperatura rekrystalizacji stali jest zależna od zawartości węgla: dla żelaza elektrolitycznego wynosi ok. 440⁰C i wzrasta z ilością węgla do około 550^oC przy zgniocie 50%.

Wyżarzanie odprężające

Przeprowadzane jest w celu usunięcia naprężeń istniejących w tworzywie, za pomocą obróbki cieplnej, bez przeprowadzania zmian strukturalnych w materiale (stali). Naprężenia powstają w odlewach, w spoinach, w częściach hartowanych lub po zgniocie. Mogą być czasami bardzo duże, bliskie naprężeniom niszczącym.

Usuwamy je za pomocą wyżarzania odprężającego. Przedmiot nagrzewany jest do odpowiedniej temperatury (materiały umocnione zgniotem na zimno do temperatury rekrystalizacji), wygrzewamy w niej przez pewien czas i następnie wolno chłodzimy. W zależności od rodzaju materiału, jego stanu oraz od przyczyn wywołujących naprężenia, stosuje się różne temperatury i czasy wygrzewania. Zwykle wygrzewa się w czasach dochodzących do kilku godzin, tym krócej, im wyższa jest temperatura. Staliwa lub żeliwa oraz przedmioty spawane, można odprężać w temperaturach dość wysokich, nawet do 650^oC, ponieważ ich struktura jeszcze prawie nie ulega zmianie.

Wyżarzanie stabilizujące

Stabilizowanie, nazywane czasami sezonowaniem, jest to zabieg cieplny, polegający na dłuższym wygrzewaniu przedmiotów stalowych w temperaturze nie przekraczającej zwykle 150^oC. Zabieg ten przeprowadza się celem zapewnienia niezmienności wymiarów przedmiotu oraz zmniejszenia naprężeń wewnętrznych. Temperatury stabilizowania stosuje się dość różne, czasami nawet w temperaturze otoczenia, wtedy ten zabieg nazywamy stabilizowaniem naturalnym (sezonowaniem). Szczególnie często stabilizację przeprowadzamy na materiałach stosowanych na sprawdziany oraz dla odlewów żeliwnych.

Odpuszczanie:

Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali poddanej uprzedniemu hartowaniu, w celu otrzymania stanu bardziej stabilnego. Chłodzenie po wygrzewaniu odpuszczającym przeprowadza się na powietrzu lub - w celu uniknięcia kruchości odpuszczania - w oleju lub w wodzie.

W zależności od stosowanej temperatury wygrzewania stali wyróżnia się trzy rodzaje odpuszczania:

• odpuszczanie niskie,

• odpuszczanie średnie,

• odpuszczanie wysokie.

Odpuszczenie niskie – przeprowadza się w zakresie temperatury 150-250^oC celem usunięcia naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu dużej twardości i odporności na ścieranie. Odpuszczanie średnie – przeprowadza się w zakresie temperatury 250-500^oC w celu uzyskania przez stal dużej wytrzymałości i sprężystości. Twardość ulega przy tym dość znacznemu obniżeniu. Tego rodzaju odpuszczaniu poddaje się sprężyny, resory, matryce, części silników, samochodów itp.

Odpuszczanie wysokie – przeprowadza się w zakresie temperatury powyżej 500^oC i poniżej A_c1. Ma ono na celu m.in. uzyskanie możliwie najwyższej udarności dla danej stali, przy jednoczesnym zwiększeniu stosunku R_e do R_m. Stal konstrukcyjna odpuszczona wysoko po hartowaniu uzyskuje strukturę sorbityczną i odznacza się z reguły wyższą granicą plastyczności i wyższym wydłużeniem i przewężeniem niż ta sama stal o strukturze perlitycznej. Podczas wysokiego odpuszczania poza zmianami strukturalnymi, zachodzi jednocześnie prawie całkowite usunięcie naprężeń powstałych podczas hartowania. Odpuszczanie wysokie stosuje się do większości stali konstrukcyjnych.

Temperaturę i czas odpuszczania dobiera się w zależności od własności jakie mają być otrzymane.

1. Opis stali o różnej zawartości węgla poddanych procesowi hartowania.

Stal45 - 1.0503

Opis :

Stal węglowa do ulepszania cieplnego, dobrze spawalna, zgrzewalna ,łatwa w

obróbce,

Zastosowanie: na średnio obciążone elementy maszyn, osie, wały, koła zębate, tarcze, drążki,

walce, wirniki pomp

Stal 50HS

Opis:  Stal chromowo-krzemowa sprężynowa o dużej hartowności Zastosowanie: na silnie obciążone sprężyny o wytrzymałości Rm do 1500 MPa, resory i sprężyny pojazdów mechanicznych.

Własności mechaniczne:

Wytrzymałość na rozciąganie Rm) >=1320

Wydłużenie A5 (%) >=6

Przewężenie Z (%) >=30

Granica plastyczności Re >=1180

Twardość (po zmiękczaniu) HB) <=269

Twardość (w stanie surowym) HB <=302

Stal NC6 – 1.2063

Opis :

stal narzędziowa do pracy na zimno ; do hartowania w oleju, stabilna

wymiarowo po hartowaniu, odporna na ścieranie

Zastosowanie :

narzędzia skrawające i tnące, gwintowniki, narzynki, wiertła profilowe, płytki

tnące, sprawdziany, małe matryce, rolki kształtowe do obróbki blach

1. Dobór temperatur hartowania dla stali w zależności od zawartości węgla.

Temperatura nagrzewania przy hartowaniu zależna jest od składu chemicznego stali oraz co ważniejsze od zawartości węgla. Temperatura ta odczytywana jest z wykresu żelazo - węgiel.

Na powyższym rysunku przedstawiono zakres temperatur w jakich należy wygrzewać hartowany przedmiot .

• Ferryt – jest to roztwór stały węgla w żelazie α;

• Austenit – jest to roztwór stały węgla w żelazie γ;

• Cementyt – rozróżnia się następujące rodzaje cementytu:

• pierwotny – krystalizujący z roztworu ciekłego węgla w żelazie;

• wtórny – wydzielający się w stanie stałym z austenitu wskutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie γ;

• trzeciorzędowy – wydzielający się z ferrytu na skutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie α.

• Perlit – jest to eutektoidalna mieszanina ferrytu i cementytu.

• A₁ – przemiana eutektoidalna (perlityczna) zachodząca w stałej temperaturze 727°C przy chłodzeniu (Ar₁) powstaje z austenitu mieszanina eutektoidalna (perlit), natomiast przy nagrzewaniu (Ac₁) z eutektoidu powstaje austenit;

• A₃ – przemiana alotropowa; zachodząca w czystym żelazie w temperaturze 912°C; w stopach przemiana A₃ oznacza początek wydzielania się ferrytu z austenitu (Ar₃ – przy chłodzeniu) lub koniec przemiany ferrytu w austenit (Ac₃ – przy nagrzewaniu);

• A_cm – początek wydzielania się cementytu wtórnego z austenitu (Ar_cm – przy chłodzeniu) lub koniec rozpuszczania się cementytu wtórnego w austenicie (Ac_cm – przy nagrzewaniu).

4. Dobór szybkości i czasu chłodzenia. Wykres CTP (czas, temperatura, przemiana)

a₁, a₂, a₃ – początek przemiany austenitu w perlit

b₁, b₂, b₃ – koniec przemiany austenitu w perlit

1 – linia przemiany austenitu w perlit

2 – linia końcowa przemiany austenitu w perlit

3 – linia początku przemiany austenitu w martenzyt

V_kr – prędkość krytyczna

M_s – przemiana martenzytyczna

1. Analiza twardości stali.

Na ćwiczeniach mieliśmy zahartować pięć próbek różnego rodzaju stali o różnej zawartości węgla i różnej twardości.

• 45 – stal węglowa konstrukcyjna wyższej jakości ogólnego przeznaczenia o zawartości węgla równej 0,45%;

• 50HS – stal węglowa o zawartości węgla równej 0,50% znajduje zastosowanie w np. resorach do pojazdów mechanicznych, sprężynach, amortyzatorach, sprężynach zaciskowych;

• 65 – stal węglowa konstrukcyjna wyższej jakości ogólnego przeznaczenia o zawartości węgla równej 0,65%;

• N11E - stal węglowa narzędziowa płytko hartująca się o zawartości węgla równej 1,1%. Znajduje zastosowanie w np. matrycach, wykrojnikach, narzynkach, rozwiertakach, frezach gwintownikach.

• NC6 – stal węglowa o zawartości węgla równej 1,3%. Znajduje zastosowanie w np. wiertłach, nożach krążkowych.

Jak wiadomo hartowanie ma na celu zwiększenie twardości dlatego też przed zahartowaniem zapoznaliśmy się z ich twardością w skali Rockwella HRB.

Stal	Zawartość węgla % C	TWARDOŚĆ
		Przed hartowaniem
		HRB
„R”	45	0,45
„HS”	50HS	0,50
„H”	6S	0,65
„S”	N11E	1,10
„C”	NC6	1,30

oznaczenie oznaczenie

próbek stali

HRB- symbol twardości materiału w skali B Rockwella

HRC- symbol twardości materiału w skali C Rockwella

HV- symbol twardości materiału w skali Vickersa

Następnym krokiem było włożenie próbek do pieca rozgrzanego do temperatury ok. 820°C i wygrzewanie. Następnie wyjmowaliśmy próbki z pieca i chłodziliśmy je w wodzie. Po ochłodzeniu poddaliśmy je próbie Rockwella w skali HRC. Aby porównać pomiary przed i po hartowaniu należało otrzymane twardości w skalach HRB i HRC przeliczyć za pomocą tablic na twardość w skali Vickersa (HV).

Wynik przeprowadzonej próby przedstawiłem w poniższych wykresach:

Przyrost twardości:

pH = $\frac{\text{HV}\ \left( \text{po}\ h\text{artowaniu} \right) - \ \text{HV}(\ \text{przed}\ h\text{artowaniem})}{\text{HV}\left( \text{po}\ h\text{artowaniu} \right)}$ *100%

,,R” pH= 155,42%

,,HS” pH=156,44%

,,H” pH=269,23%

,,S” pH=326,28%

,,C” pH=272,09%