Politechnika Świętokrzyska Laboratorium z Materiałoznawstwa
Sprawozdanie numer 4
Kwiecień Mateusz

I. WSTĘP TEORETYCZNY

Hartowaniem stali nazywamy operację prowadzącą do struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Celem takiego zabiegu jest znaczne zwiększenie twardości wyrobu. Wyróżniamy hartowanie: objętościowe(zwykłe, przerywane, stopniowe, izotermiczne), powierzchniowe(płomieniowe, indukcyjne, kąpielowe).

Metody oceny hartowności:

• Metoda przełomów

• Metoda krzywych „U”

• Metoda Jominy’ego

• Metoda analityczna Grossmanna

Próba Jominy’ego wyznaczania hartowności zwana również metodą oziębiania od czoła polega na zahartowaniu od czoła próbki cylindrycznej o średnicy 25 mm i długości 100 mm (z kołnierzem) strumieniem wody wypływającym z dyszy o średnicy 12,5 mm. Po zahartowaniu zeszlifowuje się po 0,4 – 0,5 mm wzdłuż przeciwległych tworzących próbki i dokonuje pomiarów twardości aparatem Rockwella na skali C w następujących odległościach: 2 odcinki co 1,5 mm, 6 co 2 mm i dalsze co 5 mm. Dla stali o małej hartowności pomiarów twardości dokonuje się w odległościach: 11 odcinków co 1 mm, 2 co 2 mm i dalsze 3 co 5 mm.

Metoda krzywych U wg. Grossmanna -polega ona na hartowaniu w wodzie lub oleju cylindrycznych próbek o różnych średnicach. Próbki te następnie przecina się i dokonuje pomiaru twardości na ich poprzecznym przekroju wzdłuż średnicy. Punkt środkowy osi odciętych odpowiada osi próbki: na lewo i na prawo od tego punktu odmierza się odległości od osi próbki. Na osi rzędnych oznacza się odpowiadające określonym punktom przekroju twardości w skali Rockwella C. W ten sposób otrzymuje się krzywe o kształcie podobnym do litery U obrazujące przebieg zmian twardości wzdłuż średnicy przekroju próbki. Podczas równoczesnej obserwacji struktury takiej próbki pod mikroskopem można zauważyć, że przy powierzchni występuje jednorodny martenzyt, po czym w głębszych warstwach oprócz martenzytu pojawia się bainit, a następnie drobny perlit, którego ilość wzrasta stopniowo w kierunku osi próbki, o ile tylko średnica próbki jest dostatecznie duża. Twardość występującej strefy półmartenzytycznej nosi nazwę twardości krytycznej. Sposób oznaczenia głębokości zahartowania cylindrycznej próbki z przebiegu krzywych U polega na tym, że na wykresie nanosi się wartość twardości krytycznej, co pozwala na ustalenie średnicy niezahartowanego rdzenia (Dr) o twardości niższej od twardości krytycznej. Jeżeli twardość próbki w rdzeniu jest wyższa od twardości krytycznej, uważa się, że próbka została zahartowana na wskroś. Ta metoda badania hartowności jest jednak niewygodna do przeprowadzenia z powodu szeregu czynników wpływających na głębokość zahartowania, do których dochodzi ważny czynnik jakim jest średnica próbki. Wskutek tego nawet przy innych czynnikach, które są jednakowe, wyniki badania hartowności próbek o różnych średnicach jest trudno porównać.

Metoda obliczeniowa Grossmanna- metoda ta pozwala na obliczenie idealnej średnicy krytycznej Dki i polega na liczbowym ujęciu w formie współczynników wpływu składu chemicznego stali i wielkości ziarna austenitu na hartowność stali. Przez współczynniki hartowności należy pomnożyć podstawową idealną średnicę krytyczną Dpki dla stopów żelaza

gdzie:

% C – zawartość węgla,

B – współczynnik zależny od wielkości ziarna austenitu.

Współczynnik B możemy obliczyć ze wzoru

gdzie:

N – nr klasy ziarna w skali ASTM.

Następnie obliczmy współczynniki hartowności, uwzględniające wpływ dodatków stopowych, które mają postać:

gdzie:

x – koncentracja pierwiastka stopowego w %,

a – stała empiryczna uwzględniająca siłę wpływu danego pierwiastka.

Martenzyt, składnik struktury hartowania stali, będący przesyconym roztworem stałym węgla w żelazie α, o tetragonalnej sieci przestrzennej i charakterystycznej mikrostrukturze, przedstawiającej igiełki przecinające się pod kątem 60°. Martenzyt otrzymuje się w wyniku gwałtownego ochłodzenia nagrzanej do temperatury austenitu stali węglowej lub niskostopowej. Przemiana austenitu w martenzyt następuje w określonej temperaturze, ściśle uzależnionej od składu chemicznego stali (głównie zawartości węgla), i dla stali węglowych wynosi 100-350°C. W stanie martenzytu stal odznacza się największą twardością.

Bainit, składnik strukturalny stopów żelazo-węgiel. Mieszanina ferrytu i cementytu, powstająca w wyniku izotermicznej przemiany austenitu przechłodzonego do temperatury 550-400°C (bainit górny, czyli troostyt hartowania o twardości 380-500 HB, składający się z drobnych cząstek cementytu wydzielonych w nieznacznie przesyconym węglem ferrycie o strukturze pierzastej) lub 400-250°C (bainit dolny, czyli troostyt iglasty o twardości 500-600 HB, w którym cząstki cementytu wydzielone zostały wzdłuż określonych płaszczyzn krystalograficznych przesyconego węglem ferrytu o strukturze pierzastej).

Przemiana dyfuzyjna- perlityczna przemiana fazowa (termiczna) austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia stali (poniżej temperatury 727 °C) nagrzanej do temperatury austenitu. Zachodzi przy ochłodzeniu austenitu poniżej temperatury Ar1 (alotropowej). Jest to przemiana dyfuzyjna, związana z przegrupowaniem atomów węgla, zachodząca przez zarodkowanie i wzrost zarodków; zarodkowanie heterogeniczne na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w austenicie na granicach jego ziaren; kolejno tworzenie płytek cementytu i ferrytu.

Przemiana martenzytyczna(nazywana przemianą bezdyfuzyjną lub ścinającą) zachodzi w stalach po przechłodzeniu austenitu poniżej temperatury Ms (ang. martensite start) z prędkością równą lub większą od prędkości krytycznej. W wyniku powyższej przemiany powstaje martenzyt tj. przesycony roztwór węgla w żelazie α. Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się po przekroczeniu temperatury Ms i zachodzi z bardzo dużą prędkością 1000-7000 m/s.

Przemiana częściowo dyfuzyjna- bainityczna przemiana pośrednia pomiędzy perlityczną i martenzytyczną. Rozpoczyna się od utworzenia zarodków ferrytu, które powstają na granicach ziaren austenitu na skutek fluktuacji stężenia węgla z podstawowych płytek ferrytu wydziela się następnie cementyt. Bainit jest więc mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i węglików.

Kryterium półmartenzytyczne zgodnie z którym za strefę zahartowana uważa się strefę w której w której znajduje się co najmniej 50% martenzytu.

Przemiana odwracalna- przemiana, która może przebiegać w obu kierunkach, tak aby układ i otoczenie powróciły do stanu wyjściowego.

Przemiana nieodwracalna -przemiana przebiegająca tylko w jednym kierunku.

Wykres CTPi

II. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą badania hartowności stali metodą Jominy’ego, określenie w jakim stopniu skład chemiczny stali (obecność pierwiastków stopowych) wpływa na hartowność.

III. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Próbki umieszczono w piecu o temperaturze 850C. Po 30 minutach wyjęto jedną z próbek i umieszczono ją w specjalnym statywie na 15 minut gdzie została całkowicie schłodzona wodą. Następnie została oszlifowana. Na przeszlifowanej ścieżce został wykonany pomiar twardości metodą Rockwell’a w następujących odległościach od czoła próbki: 9 pomiarów co 1,5 mm. Takie same czynności wykonane zostały z drugą próbką.

III. TABELA POMIARÓW

PRÓBKA 1(STAL C45)	PRÓBKA 1(STAL 40H)
L [mm]	Twardość [HRC]
1	55
2,5	51
4	49
5,5	54
7	50
8,5	43
10	41
11,5	36
13	31

V. Wykres hartowności stali w układzie twardość HRC, odległość od czoła próbki (L)

VI. WNIOSKI

Celem ćwiczenia było ukazanie hartowności stali węglowej oraz stopowej. Im dalej od początku próbki była badana twardość tym bardziej się ona zmniejszała. W założeniu tego doświadczenia, twardość dwóch próbek powinna się stabilizować na pewnym poziomie co można by zauważyć przy dalszych pomiarach. Na podstawie danych z w/w tabeli można zauważyć, że obydwie próbki mają na początku pomiarów zbliżone twardości, jednak próbka stali węglowej 45C ma wyższą twardość. Patrząc na wykres stali C45 możemy zauważyć anomalię, gdyż po trzecim pomiarze twardość nagle rośnie. Przyczyną tego może być nierównomierne schłodzenie próbki lub niejednolita struktura materiału z którego próbka została wykonana. Analizując wyniki próbki nr 2 widzimy, że twardość HRC stali 40H jest mniejsza w porównaniu do stali C45. Twardość próbki stali 40h stopniowo maleje wraz ze wzrostem odległości od czoła tak jak w przypadku próbki ze stali C45.W zależności od potrzeb i oczekiwań zachowania się materiału możemy dobierać najbardziej odpowiednio zachowujące się stopy metali które będą zachowywały się wedle oczekiwań po ówczesnym ich zbadaniu. Obie próbki hartowane były w takich samych warunkach, a różnica wynika z tego iż próbki różnią się zawartością węgla i domieszką chromu w 2 próbce.