PIĄTEK 8^00 DATA WYKONYWANIA ĆWICZENIA: 23 IV 2004 NAZWA ĆWICZENIA: „Obróbka cieplna stali”		NUMER ZESPOŁU 1
				GRUPA 9
IMIĘ I NAZWISKO	Bilut Marcin, Bubak Grzegorz

1. Wstęp teoretyczny

Obróbka cieplna - jest to szereg odpowiednio dobranych zabiegów cieplnych, które prowadzą do zmiany własności stali przez zmiany struktury wywołane przemianami fazowymi zachodzącymi w stanie stałym.

Operacje wyżarzania

Przez wyżarzanie rozumiemy operacje cieplne które w mniejszym lub większym stopniu prowadzą do stanu równowagi termodynamicznej w obrabianym stopie. Są to najczęściej: nagrzanie do określonej temperatury, wygrzewanie i chłodzenie.

• Wyżarzanie ujednoradniające (homogenizujące) polega na nagrzaniu do temperatury zbliżonej do linii solidus (zwykle 1000-1250°C), długotrwałym wygrzewaniu w tej temperaturze, aż do zajścia dyfuzji i wyrównania składu chemicznego oraz chłodzeniu.

• Wyżarzanie przegrzewające przeprowadza się podobnie jak ujednoradniające, z tym że celem jego jest spowodowanie rozrostu ziaren i ułatwienie skrawalności stali.

• Wyżarzanie grafityzujące(grafityzowanie) jest to długotrwałe wygrzewanie powyżej Ac₃ celem rozkładu cementytu na grafit - przeprowadza się je przy produkcji żeliwa ciągliwego.

• Wyżarzanie normalizujące(normalizowanie) polega na nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn. 30..50°C powyżej linii Ac₃-Ac_cm i następnie studzeniu na wolnym powietrzu, w celu rozdrobnienia ziarna i ujednolicenia struktury.

• Wyżarzanie zupełne ma na celu całkowite wyeliminowanie naprężeń występujących w materiale. Polega na austenityzowaniu stali, jak przy normalizowaniu, i następnie studzeniu w piecu.

• Wyżarzanie niezupełne przeprowadza się podobnie oraz w analogicznym celu jak wyżarzanie zupełne, z tym że temperatura wyżarzania jest pośrednia między Ac₁-Ac₃ dla stali podeutektoidalnych oraz między Ac₁-Ac_cm dla stali nadeutktoidalnych.

• Wyżarzanie izotermiczne przebiega podobnie jak zupełne lecz następuje szybkie ochłodzenie do temperatury leżącej poniżej Ar₁ i wytrzymanie w tej temperaturze aż do zajścia przemiany perlitycznej. Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości stali.

• Wyżarzanie perlityzujące (perlityzowanie)

• Wyżarzanie sferoidyzujące (sferoidyzacja), zwane również zmiękczającym, polega na przemianie cementytu płytkowego w kulkowy, co prowadzi do zmniejszenia twardości i polepszenia obrabialności mechanicznej(skrawalności).

• Wyżarzanie rekrystalizujące, stosowane po uprzednim zgniocie(obróbce plastycznej na zimno), przeprowadza się w temperaturze poniżej Ac₁, ale powyżej temperatury rekrystalizacji w celu usunięcia skutków zgniotu(wzrost plastyczności).

• Wyżarzanie odprężające(odprężanie) polega na nagrzaniu wyrobów do temperatury poniżej Ac₁ (ok.500..600°C), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu. Celem obróbki jest zmniejszenie naprężeń wewnętrznych bez wywołania zmian strukturalnych. Stosuje się je głównie do odprężania odlewów staliwnych i przedmiotów spawanych. Odmianą wyżarzania odprężającego jest stabilizowanie, które prowadzi się w temp. poniżej 150°C w celu zmniejszenia naprężeń własnych. Przeprowadza się również stabilizowanie naturalne w temperaturze otoczenia przez długi okres czasu.

Operacje hartowania

W przeciwieństwie do zabiegów wyżarzania hartowanie, zwłaszcza martenzytyczne, prowadzi do powstawania struktury nierównowagowej. Celem zabiegu jest znaczne zwiększenie twardości wyrobu. Rozróżniamy dwie metody hartowania:

1. Hartowanie objętościowe polega na nagrzaniu elementu na wskroś i może być realizowane z różnymi prędkościami studzenia.

Hartowanie zwykłe (martenzytyczne) polega na austenityzowaniu z następnym szybkim oziębieniem w jednym ośrodku w celu uzyskania struktury martenzytycznej.

W zależności od sposobu chłodzenia rozróżniamy:

• hartowanie przerywane, polegające na stosowaniu dwóch ośrodków chłodzących (np. najpierw wody, a następnie oleju),

• hartowanie stopniowe, polegające na wytrzymaniu przedmiotu w temperaturze wyższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do wyrównania temperatury na przekroju, po czym zanim rozpocznie się przemiana dyfuzyjna następuje ochłodzenie przedmiotu.

• hartowanie izotermiczne (bainityczne) ma podobny przebieg jak stopniowe, z tym że czas wytrzymania w temperaturze pośredniej jest dostatecznie długi, aby zaszła przemiana bainityczna.

2. Hartowanie powierzchniowe polega na austenityzowaniu jedynie cienkiej warstwy powierzchniowej przedmiotu, w wyniku czego tylko w tej warstwie tworzy się struktura martenzytyczna i następuje utwardzenie powierzchni. W zależności od sposobu nagrzewania hartowanie powierzchniowe może być: płomieniowe, indukcyjne lub kąpielowe.

Operacje odpuszczania

Odpuszczanie polega na nagrzewaniu uprzednio zahartowanego przedmiotu do temperatury leżącej poniżej Ac₁, co prowadzi do usunięcia naprężeń oraz przemian wywołujących zmniejszenie twardości i wzrost plastyczności stali. Rozróżniamy trzy rodzaje odpuszczania: - niskie (100-350⁰C), - średnie (350-500⁰C), - wysokie (500-A_C1). Połączenie zabiegów hartowania i wysokiego lub średniego odpuszczania nazywamy ulepszaniem cieplnym .

Operacje patentowania

Patentowaniem nazywamy obróbkę mającą na celu uzyskanie drobnego perlitu .Po austenityzowaniu następuje szybkie schłodzenie do temperatury około 500°C i wytrzymanie w tej temperaturze przez okres wystarczający do zajścia przemiany perlitycznej . Stosuje się je do obróbki cieplnej drutu .

Operacje przesycania i starzenia

Mogą być stosowane w stopach , w których następuje zmniejszanie rozpuszczalności składnika w stanie stałym z obniżeniem temperatury .Przesycanie (oziębianie) ma na celu uzyskanie przesyconego roztworu stałego. Starzenie (wygrzewanie) prowadzi do wydzielenia dyspersyjnych cząstek .Efektem tego jest wzrost twardości i wytrzymałości stopu oraz spadek plastyczności. Połączenie obu operacji nazywamy utwardzaniem wydzieleniowym .

Operacje wymrażania

Wymrażanie (obróbka podzerowa ) polega na obniżeniu temperatury zahartowanego przedmiotu poniżej 0°C. Ma na celu dalsze rozłożenie austenitu nie przemienionego w martenzyt. Ze względu na skłonność austeitu do stabilizacji wraz z upływem czasu, wymrażanie powinno być przeprowadzone bezpośrednio po zahartowaniu.

Dyfuzja

Dyfuzją nazywamy jakiekolwiek względne zmiany położeń atomów w sieci, zachodzące w stacjonarnym ośrodku pod wpływem wzbudzenia termicznego. Procesy dyfuzyjne są podstawą wielu procesów metalurgicznych.

Przemiany fazowe, które są podstawą obróbki cieplnej można podzielić na dwie grupy:

- dyfuzyjne, w przemianach tych istotną rolę odgrywa oprócz temperatury, czas. Zachodzą one przez zarodkowanie i rozrost zarodków.

- bezdyfuzyjne (zwane czasem martenzytycznymi), w przemiany bezdyfuzyjnyjne zachodzą z bardzo dużymi prędkościami.

2. Opis wykonywanego ćwiczenia.

Otrzymaliśmy 6 próbek ze stali konstrukcyjnej węglowej oznaczonych kolejno numerami. Jako pierwsze zmierzyliśmy twardość próbek w stanie dostarczonym, na skali Rockwella na skali B. Następnie ustaliliśmy dla danej stali właściwą temperaturę hartowania. Próbkę nr 1 nagrzaliśmy do temperatury 650°C i wygrzewaliśmy ja 15 min, a następnie oziębiliśmy w wodzie i zmierzyliśmy jej twardość. Próbkę nr 2 nagrzaliśmy do temperatury 750°C i wygrzewaliśmy ją 15 min, następnie hartowaliśmy i zmierzyliśmy jej twardość.

Następnie odpuszczaliśmy zahartowane próbki 3, 4, 5 w temperaturach kolejno 300, 500, 650°C przez 20 min i po ich odpuszczeniu ponownie mierzyliśmy ich twardość.

3. Zestawienie uzyskanych wyników

Nr próbki	HB0	Tw	Hw	T0
1	187	650	192	-	-
2			750			534
3			850	603	300	436
4							500	288
5							650	230
6							20	603

4. Wnioski

Wszystkie próbki przed przystąpieniem do ćwiczenia miały strukturę ferryt + perlit. Twardości po zahartowaniu są różne ponieważ w temperaturach 650 i 750°C nie spowodowała przemiany całej struktury w austenit, a co za tym idzie nie mogła zamienić się w martenzyt co jest istotą hartowania. Podczas hartowania w próbce nr 1 przy nagrzewaniu struktura nie zmieniła się, twardość zmniejszyła się ponieważ próbka została tylko odpuszczona (co spowodowało zmniejszenie twardości). Próbka nr 2 podczas hartowania zmieniła strukturę na austenit + ferryt i podczas chłodzenia austenit zamienił się w martenzyt (co spowodowało wzrost twardości). Próbki nr 3, 4 i 5 zostały nagrzane 30 - 50°C powyżej temperatury A_C3 co spowodowało, że w tej temperaturze mieliśmy jednolitą strukturę austenitu, który po ochłodzeniu przemienił się w martenzyt.

Próbka nr 3 poddana została średniemu odpuszczaniu po którym otrzymujemy strukturę odpuszczonego martenzytu. Odpuszczanie w temperaturze 300 ⁰C obniża twardości do około 450 HB. Odpuszczanie to stosuje się w celu nadania obrabianym elementom wysokiej granicy sprężystości przy równoczesnym polepszeniu własności plastycznych (materiały na sprężyny i resory). Próbki nr 4 i 5 zostały wysoko odpuszczona co spowodowało obniżenie własności wytrzymałościowych (R_m, R_e, HB), a wzrastają plastyczne. Podczas tego rodzaju odpuszczania powstaje struktura złożona z ferrytu i bardzo drobnych, kulistych wydzieleń cementytu zwana sorbitem.

Z powyższych danych wynika, że na własności stali możemy wpływać nie tylko poprzez zmianę składu chemicznego, lecz także poprzez obróbkę cieplną. Temperatury w jakich ją przeprowadzamy, czyli temp. hartowania i odpuszczania mają duży wpływ na twardość stali. Przy hartowaniu należy stal nagrzewać powyżej temp. A_c3 powyżej której ferryt i perlit przechodzą w austenit, a następnie przy chłodzeniu w martenzyt, który powoduje dużą twardość stali. Nagrzanie stali poniżej tej temp. nie powoduje tak dużego wzrostu twardości.

5

---