Obróbka cieplna: Hartowność, obróbka cieplna stopów żelaza.

1. układ żelazo-cementyt

2. martenzyt - przesycony międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie α, powstaje w wyniku przemiany martenzytycznej z austenitu, twardy ale kruchy (należy poddać odpuszczeniu), tetragonalny

bainit - przesycony ferryt, w którym węgiel jest wydzielany w postaci węglików; bainit górny: przesycony węglem ferryt o budowie pierzastej, między ziarnami lub w ich wnętrzu nieregularne wydzielenia cementytu (temp. 550-350^oC), austenit szczątkowy; bainit dolny: przesycony węglem ferryt o budowie płytkowej, we wnętrzu ziaren posiada drobnodyspersyjne wydzielenia węglików (temp. poniżej 350^oC), austenit

austenit szczątkowy - pozostałość austenitu w stopach, która w trakcie przemiany martenzytycznej nie uległa przemianie fazowej z powodu występujących w materiale naprężeń ściskających (austenit ma mniejszą objętość niż martenzyt), ilość wzrasta wraz ze stężeniem węgla

1. przemiany:

martenzytyczna - przemiana bezdyfuzyjna, szybkość chłodzenia jest większa od szybkości krytycznej, przemiana jest niezgodna z układem Fe-Fe₃C, powstaje tetragonalny martenzyt (przesycony węglem ferryt), w wyniku naprężeń pozostaje austenit szczątkowy, przebiega pomiędzy temperaturami M_s (początek) i M_f (koniec); realizuje się przez ścinanie mechanizmami poślizgu lub bliźniakowania

perlityczna - zachodzi podczas wolnego chłodzenia austenitu poniżej A_r1, zachodzą przemiany zgodne z wykresem równowagi, jej produktem jest mieszanina eutektoidalna ferrytu i węgla (perlit), jest dyfuzyjna, zachodzi przez zarodkowanie na cząstkach cementytu (heterogenicznie)

bainityczna - przemiana częściowo dyfuzyjna (zachodzi poprzez przemieszczanie węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacje, zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel), temp. chłodzenia około 450-200^oC, tam gdzie przechłodzony austenit ma małe stężenie węgla - bezdyfuzyjna przemiana martenzytyczna, tam gdzie duże stężenie węgla - dyfuzyjny proces wydzielenia bardzo drobnych cząstek cementytu o dużej dyspersji, co tworzy nowe obszary niskowęglowego austenitu i prowadzi do przemiany martenzytycznej. Z martenzytu potem uwalnia się cementyt i węglik ε, a osnowa staje się ferrytem przesyconym węglem. Pozwala na uzyskanie małych naprężeń wewnętrznych i cieplnych

1. wykresy przemian austenitu CTP_i, CTP_c
   

2. krytyczna szybkość chłodzenia - linia chłodzenia przebiegająca stycznie do krzywej początku przemiany austenitu w punkcie najmniejszej trwałości austenitu przechłodzonego; najmniejsza szybkość chłodzenia z temp. austenityzowania zapewniająca uzyskanie struktury wyłącznie martenzytycznej

hartowność - podatność stali na hartowanie - zależność przyrostu twardości w wyniku hartowania od warunków austenityzowania i szybkości chłodzenia; zdolność do tworzenia w trakcie hartowania struktury martenzytycznej

utwardzalność - podatność na hartowanie, miarą której jest zależność największej możliwej do uzyskania po hartowaniu - twardości od warunków austenityzowania (zależy od warunków i stężenia C)

przehartowalność - podatność stali na hartowanie, miarą której jest zależność przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości chłodzenia (wpływ: stężenie C i pierwiastków stopowych w roztworze stałym podczas austenityzowania, stopień jednorodności austenitu, wielkość ziarn austenitu)

1. czynniki wpływające na hartowność

• zawartość dodatków stopowych - zwiększają hartowność przez zmniejszenie v_kr, wpływają na przehartowalność - możliwość zahartowania przedmiotów o większym przekroju

• zawartość węgla - od niego zależy temperatura M_s i M_f, wpływa na twardość po hartowaniu

• wielkość ziarna, jednorodność austenitu, obecność innych nierozpuszczalnych cząstek

1. wpływ dodatków stopowych na hartowność

W - wolfram - zwiększa hartowność, twardość, odporność na zużycie

V - wanad - zwiększa głębokość hartowania

Cr - chrom - polepsza hartowność, zmniejsza naprężenia

M - mangan - polepsza hartowność, zmniejsza naprężenia

L - molibden - zwiększa hartowność, zmniejsza kruchość odpuszczania

K - kobalt - zmniejsza hartowność

N - nikiel - polepsza hartowność (głębokość hartowania), zapewnia dobrą wytrzymałość, małe naprężenia

węgiel i wszystkie pierwiastki z wyjątkiem kobaltu (rozpuszczone w austenicie) zwiększają hartowność (przesunięcie linii CTP w prawo)

intensyfikatory: bor, tytan, cyrkon - zwiększenie hartowności

1. metody badań hartowności:

• na przełomie - obserwacja przełomu, metoda warsztatowa badania hartowności, część zahartowana ma przełom jedwabisty, matowy, część niezahartowana jest błyszcząca - do stali narzędziowych

• metoda Grossmanna (metoda krzywych U) - pomiar twardości na przekroju zahartowanej próbki o kształcie cylindrycznym o wystarczające długości. Wycina się z niej środkowy krążek, mierzy twardość HRC na przekroju poprzecznym wzdłuż średnicy wzdłuż prostopadłych kierunkach.

• metoda Jominy-ego (próba hartowania czołowego) - oziębianie strumieniem wody, czołowej powierzchni próbki walcowej o średnicy 25 mm i długości 100 mm po austenityzowaniu w warunkach zalecanych dla danego gatunku. Na tak zahartowanych próbkach wykonuje się próby twardości wzdłuż zeszlifowanej tworzącej próbki w odległości co 2 mm, poczynając od czoła, następnie sporządza się wykres twardości w funkcji odległości od czoła - krzywą hartowności, nanosząc średnie wyników pomiarów z dwóch przeciwległych tworzących

krzywa hartowności - wykres twardości w funkcji odległości od czoła, wyznaczany dzięki metodzie Jominy'ego

pasmo hartowności - obszar między maksymalną i minimalną wartością krzywych hartowności dla stali (bo stale charakteryzują się rozrzutem składu chemicznego, dla stali tego samego gatunku z poszczególnych wytopów uzyskuje się krzywe hartowności nieco różniące się od siebie)

1. twardość krytyczna - twardość strefy o strukturze zawierającej 50% martenzytu, tj. tak zwanej strefy półmartenzytycznej

idealna średnica krytyczna - średnica największego przekroju hartującego się na wskroś w idealnej kąpieli hartowniczej, odbierającej ciepło z nieskończenie dużą szybkością (pojęcie wprowadzone aby wyłączyć wpływ sposobu chłodzenia na hartowność - oddawanie ciepła przez element hartowany uzależnione jest w tym przypadku od jego przewodności cieplnej)

średnica krytyczna D_n - średnica pręta, w którym po zahartowaniu w ośrodku o określonej intensywności chłodzenia w osi przekroju poprzecznego obrabianego elementu uzyskuje się strukturę złożoną z co najmniej n% martenzytu (indeks n odpowiada zawartości procentowej martenzytu; D50 - struktura półmartenzytyczna)

stal może się różnić średnicą krytyczną w zależności od warunków w jakich przeprowadzone było chłodzenie, od jej hartowności)

(średnicą krytyczna i krytyczna szybkość hartowania są miarą przehartowalności stali)

Średnica największego przekroju próbki stalowej hartującej się na wskroś w danym ośrodku chłodzącym, wiąże się z rodzajem ośrodka chłodzącego

1. rodzaje ośrodków chłodzących

• woda, roztwory wodne soli, zasad, polimerów

• oleje hartownicze

• kąpiele solne i metalowe

• ośrodki sfluidyzowane

• powietrze i inne gazy

1. podział stopów żelaza

Stal	Staliwo	Żeliwo
Zawartość węgla nie przekracza 2,11% lub więcej dla stali stopowych stale węglowe konstrukcyjne narzędziowe o szczególnych własnościach stale stopowe konstrukcyjne narzędziowe o szczególnych własnościach	Wieloskładnikowy stop żelaza z węglem w postaci lanej (odlany), nie poddany obróbce plastycznej, zawartość węgla w odmianach użytkowych nie przekracza 1,5% węglowe stopowe	Zawartość węgla od 2,11 do 4,3% w postaci cementytu lub grafitu żeliwo szare żeliwo białe żeliwo połowiczne żeliwo ciągliwe żeliwo stopowe

1. rodzaje obróbki cieplnej i właściwości otrzymane dla stali, staliw i żeliw

• wyżarzanie odprężające - usuwa naprężenia odlewnicze, spawalnicze, cieplne, po obróbce plastycznej, zachodzą zmiany strukturalne

• wyżarzanie normalizujące - uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, polepszenie właściwości mechanicznej stali

• wyżarzanie zupełne - uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, polepszenie właściwości mechanicznej stali

• wyżarzanie izotermiczne

• wyżarzanie sferoidyzujące (zmiękczające) - otrzymanie struktury sferoidytu (cementyt kulkowy w osnowie ferrytu), zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność, dobrą podatność na odkształcenie plastyczne (na zimno)

• wyżarzanie ujednoradniające - dyfuzja i wyrównanie składu chemicznego

• wyżarzanie rekrystalizujące - po zgniocie, usuwa skutki zgniotu
  

• odpuszczanie - usunięcie naprężeń, zmniejszenie twardości, wzrost plastyczności

• przesycanie i starzenie (utwardzanie wydzieleniowe) - uzyskanie przesyconego roztworu stałego, wydzielenie dyspersyjnych cząstek - wzrost twardości i wytrzymałości stopu, spadek plastyczności