Piotr Głowik |
Materiały konstrukcyjne |
20.03.2015r. |
Grupa LP4 |
Obróbka cieplna |
|
Obróbka cieplna - zbiorcza nazwa obróbek materiałów metalowych polegających na odpowiednim nagrzewaniu, wygrzewaniu i chłodzeniu do zadanych temperatur i z określoną szybkością, w celu zmiany własności stopu w stanie stałym. Celem stosowania operacji i zabiegów obróbki cieplnej jest np. zmiana własności mechanicznych i plastycznych poprzez zmianę struktury. Operacje te przeprowadza się również z zastosowaniem dodatkowych czynników np. obróbki mechanicznej lub chemicznej.
Obróbkę cieplną dzieli się następująco[1]:
niskotemperaturowa
wysokotemperaturowa
z przemianą izotermiczną
nasycanie jednym pierwiastkiem
nasycanie wieloma pierwiastkami
Hartowanie - rodzaj obróbki cieplnej materiału polegający na nagrzaniu danego materiału do odpowiedniej temperatury zwanej temperaturą hartowania, wytrzymaniu w tej temperaturze przez czas konieczny do przebudowy struktury wewnętrznej materiału (głównie przemian fazowych) oraz następnym odpowiednio szybkim schłodzeniu. Po tak przeprowadzonym zabiegu w materiale powstają lokalne koncentracje naprężeń powodujące zwykle wzrost własności wytrzymałościowych: twardości, wytrzymałości[1][2], granicy plastyczności i sprężystości oraz odporności na ścieranie kosztem wzrostu kruchości oraz spadku plastyczności i wydłużenia. Hartowanie stopów żelaza to rodzaj obróbki cieplnej stopów żelaza (np. stali), polegający na szybkim schłodzeniu uprzednio nagrzanego materiału w celu wytworzenia struktury martenzytcznej bądź bainitycznej. Materiał nagrzewa się najczęściej do temperatury wyższej o 30 do 50 °C od temperatury przemiany austenitycznej. Tak przygotowany materiał hartuje się w kąpieli hartowniczej (wodzie, oleju mineralnym, emulsji wodno-olejowej, wodnym roztworze polimeru, stopionych solach, stopionych ługach), w gazach lub w ośrodkach fluidalnych. Chłodzenie odbywa się z szybkością większą niż krytyczna prędkość chłodzenia dla danego materiału. Hartowanie przeprowadza się, by podnieść twardość i wytrzymałość stali.
Martenzyt - pierwotnie nazwa jednej z metastabilnych struktur, występująca w stopach Fe-C, charakteryzująca się bardzo dużą twardością. W stali martenzytem nazywamy przesycony międzywęzłowy roztwór stały węgla w żelazie α. Martenzytyczna przemiana stali niestopowej zachodzi w czasie hartowania. Fazą ulegającą przechłodzeniu jest roztwór stały węgla w sieci krystalicznej żelaza γ-Fe (przesycony austenit, sieć regularna ściennie centrowana). Zgodnie z wykresem równowagi faz w układzie żelazo-cementyt w temperaturze niższej od 727°C ziarna tej fazy powinny rozpaść się na mieszaninę kryształów żelaza α-Fe (ferryt, sieć regularna przestrzennie centrowana) i węglik żelaza Fe3C. Stal po skończonej przemianie martenzytycznej jest twarda i zbyt krucha aby ją wykorzystać na główne elementy konstrukcyjne, dlatego poddaje się ją procesowi odpuszczania.
Bainit - składnik metastabilny powstający z rozpadu austenitu w przedziale temperatur między temperaturą powstawania perlitu, a temperaturą początku pojawiania się martenzytu. Zawiera przesycony ferryt, w którym węgiel jest wydzielany w postaci węglików[1]. Mieszanina przesyconego ferrytu i wydzielonych węglików. Termin bainit odnosi się do mikrostruktury uzyskanej w wyniku przemiany austenitu w temperaturze pomiędzy przemianą austenitu w perlit, a powyżej temperatury przemiany austenitu w martenzyt, określanej mianem przemiany bainitycznej. Typowo zjawisko to odbywa się w przedziale temperatur 250-650 °C[2], 250 - 550 °C
Bainit górny jest to przesycony węglem ferryt o budowie pierzastej, w którym między ziarnami lub w ich wnętrzu posiada nieregularne wydzielenia cementytu. Powstaje w zakresie temperatur 550 - 350 °C w wyniku zajścia przemiany pośredniej z austenitu[3]. Bainit górny składa się z pakietów silnie zdefektowanych listew ferrytu, a między nimi znajduje się cementyt[2].
Ogólne charakterystyka:
strukturalnie podobny do troostytu
słaba ciągliwość
słabe właściwości wytrzymałościowe, które można poprawić poprzez odpuszczenie
bardzo słaba odporność na pękanie
Bainit dolny jest to przesycony węglem ferryt o budowie płytkowej, który we wnętrzu ziaren posiada drobnodyspersyjne wydzielenia węglików. Powstaje poniżej temperatury 350 °C w wyniku zajścia przemiany pośredniej z austenitu[3]. Bainit dolny składa się z silnie zdefektowanych listew ferrytu, we wnętrzu których znajduje się cementyt. Listwy są ustawione pod kątem 55 - 60°[2].
Ogólne charakterystyka:
strukturalnie podobny do martenzytu
twardość około 55 HRC
wysoka twardość i odporność na ścieranie
dużo lepsza ciągliwość niż u bainitu górnego
dobra odporność na pękanie
Odpuszczanie - rodzaj obróbki cieplnej, której poddawana jest stal wcześniej zahartowana. Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmiana własności fizycznych zahartowanej stali, a przede wszystkim zmniejszenie twardości, a podniesienie udarności zahartowanej stali. Odpuszczanie polega na rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury w granicach 150 do 650 °C, przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie schłodzeniu. W czasie odpuszczania całość lub część martenzytu zawartego w zahartowanej stali rozpada się, wydzielając bardzo drobne ziarna cementytu, tworząc fazy noszące nazwy „martenzyt odpuszczania”, „sorbit odpuszczania” i „troostyt odpuszczania”.