PAWEŁ ŚLIWA	Laboratorium z materiałoznawstwa	WMiBM
Gr. 23B	Temat: Wpływ zawartości węgla i obróbki cieplnej na strukturę i własności mechaniczne stali węglowych.	2000-11-09

1.) Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z wpływem zawartości węgla w stali na strukturę i twardość stali w stanie wyżarzonym i po hartowaniu.

Operacje wyżarzania. Przez wyżarzanie rozumiemy zabie­gi 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 ziarn i ułatwie­nie skrawalności stali.

Wyżarzanie grafityzujące (grafityzowanie) jest to długotrwale wygrzewanie powyżej Ac₃

celem rozkładu cementytu na grafit — przeprowa­dza się je przy produkcji żeliwa ciągliwego.

Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) polega na nagrzaniu do stanu austenicznego, tzn. 30—50°C powyżej linii GSE/Ac₃ —Ac_Cm i na­stępnie studzeniu na wolnym powietrzu, w celu rozdrobnienia ziarna i uje­dnolicenia struktury.

Wyżarzanie zupełne prowadzi do wytworzenia struktury zbliżonej do stanu równowagi. Polega na austenityzowaniu stali, jak przy normalizo­waniu, i następnie studzeniu w piecu. Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości i naprężeń wewnętrznych oraz zwiększenie ciągliwości stali.

Wyżarzanie niezupełne przeprowadza się podobnie jak wyżarzanie zu­pełne, z tym że temperatura wyżarzania jest pośrednia między Ac₁ —Ac₃ dla stali podeutektoidalnych oraz między Ac₁ —Ac_cm , dla stali nadeutektoidalnych. Cel zabiegu jest analogiczny, jak przy wyżarzaniu .zupełnym.

Wyżarzanie izotermiczne polega na austenityzowaniu stali jak przy wyżarzaniu zupełnym i następnie szybkim ochłodzeniu do temperatury le­żącej poniżej Ar₁ i wytrzymaniu w tej temperaturze aż do zajścia przemia­ny perlitycznej. Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości stali.

Wyżarzanie perlityzujące (perlityzowanie) jest podobne do wyżarzania izotermicznego, z tym że nie jest konieczne szybkie studzenie do tempe­ratury perlityzowania. Zwykle po perlityzowahiu stal jest ponownie na­grzewania do temperatury austenityzowania w celu zahartowania. W wy­niku perlityzowania uzyskuje się rozdrobnienie ziarna austenitu, a tym samym zwiększenie dyspersji martenzytu.

Wyżarzanie sferoidyzujące (sferoidyzacja), zwane również zmiękcza­jącym, polega na przemianie cementytu płytkowego w kulkowy, co pro­wadzi do zmniejszenia twardości i polepszenia obrabialności mechanicznej (skrawalności). Można je osiągnąć wyżarzając powyżej lub poniżej tempe­ratury Ac₁.

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 (zwykle poniżej 650°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.

2.) PRZEBIEG ĆWICZENIA

Badania nasze przeprowadziliśmy na próbkach następujących stali węglowych:

• stal 15 - zawierająca około 0,15% C - Φ25 mm, oznaczona nr 1,

• stal 45 - zawierająca około 0,45% C - Φ30 mm, oznaczona nr 2,

• stal N9E - zawierająca około 0,9% C - Φ26 mm, oznaczona nr 3.

Próbki wykonane w kształcie krążków poddaliśmy szlifowaniu na coraz to drobniejszych papierach ściernych, tak przygotowaną powierzchnię próbek (tzw. zgład metaliczny) wytrawiliśmy nitalem (Mi1Fe). Następnie za pomocą mikroskopu świetlnego obserwowaliśmy struktury badanych stali, celem obserwacji było zauważenie różnic w strukturze badanych stali przed i po hartowaniu. Kolejnym krokiem był pomiar twardości, badanych próbek, na twardościomierzu Rockwella, penetrator w kształcie kulki i przy obciążeniu 100 kG. Badane próbki poddaliśmy procesowi austenityzacji (hartowaniu):

• próbki ze stali 15 i 45 w temperaturze 850ºC w czasie 30 min,

• próbkę ze stali N9E w temperaturze 770ºC w czasie 30 min,

Próbki po okresie 30 minut zahartowaliśmy w wodzie, następnie wykonaliśmy na nich zgłady metalograficzne i obserwowaliśmy je pod mikroskopem w celu naszkicowania zmian jakie zaszły w ich strukturze metalicznej. Powtórzyliśmy również pomiar twardości, co pozwoliło nam zaobserwować wpływ hartowania na twardość badanych stal 3.) WYNIKI BADAŃ :

Struktura badanych stali:

Przed hartowaniem: Po hartowaniu:

Stal 15

Stal 45

N9E

TAB. 1 Wyniki pomiarów twardości poszczególnych próbek:

Rodzaj stali	Twardość przed hartowaniem	Twardość po hartowaniu
	14 HRD	47 HRD
15	14 HRD	45 HRD
	12 HRD	46 HRD
	22 HRD	69 HRD
45	25 HRD	69 HRD
	25 HRD	72 HRD
	34 HRD	71 HRD
N9E	39 HRD	75 HRD
	33 HRD	70 HRD

Jak widać powyższe wyniki różnią się znacznie od siebie. Wynika to z różnicy zawartości węgla w badanych próbkach i wpływu hartowania na własności badanych stali węglowych.

TAB. 2 Skład chemiczny badanych próbek (wg PN-93/H-84019, 84/PN-84/H-85020)

ZNAK GATUNKU	SKŁAD CHEMICZNY, %
STALI	C	Mn	Si	P max	S max
15	0,12-0,19	0,35-0,65	0,15-0,40	0,04	0,04
45	0,42-0,50	0,50-0,80	0,10-0,40	0,04	0,04
N9E	O,85-0,94	0,15-0,30	0,15-0,30	0,025	0,025

4.) WNIOSKI:

Zgodnie z normą PN-91/H-01010/03 stale węglowe dzielimy na trzy grupy: niskowęglowe - poniżej 0,25 % C, (do tej grupy zakwalifikujemy próbkę nr 1, ze stali 15); średniowęglowe - 0,25 - 0,6 % C, (próbka nr 2, stal 45); wysokowęglowe - powyżej 0,6 % C, (próbka nr 3, stal N9E);

Wzrost zawartości węgla w stali powoduje zmniejszenie zawartości ferrytu, a zwiększenie cementytu, co w efekcie prowadzi do zwiększenia się twardości stali z większą zawartością węgla. Tę prawidłowość zaobserwować można na przykładzie badanych próbek. Znaczny wpływ na zwiększenie twardości ma hartowanie. Hartowanie jest zabiegiem cieplnym, polegającym na nagrzaniu stali powyżej temperatury na linii GSE w układzie żelazo - węgiel tzw. temperatury austenityzacji, (w naszym przypadku dla stali 15 i 45 była to temperatura 850ºC,a dla N9E - 770ºC), następnie przeprowadza się gwałtowne chłodzenie w celu otrzymania struktury martenzytycznej lub pośredniej - w efekcie uzyskuje się znaczne powiększenie twardości. Efekt hartowania widać w tabeli nr 1.

Zawartość węgla i obróbka cieplna ma również wpływ na wygląd struktur metalicznych obserwowanych zgładów. W zgładach stali o małej zawartości węgla 0,15 % C poprzez zgłady stali o zawartości 0,45 % C do stali o zawartości 0,9 % C, widoczne jest zmniejszanie się ilości ziarn ferrytu (składnika miękkiego), a wzrost ilości ziarn cementytu, który jako składnik twardszy znacznie wpływa na wzrost twardości. Natomiast obserwując zgłady poddane wcześniej hartowaniu, zauważyć można znaczne zmniejszenie się ziarn tzn. znaczne zagęszczenie struktury mające znaczny wpływ na występowanie defektów w sieci oraz na zmniejszenie EBU (energii błędu ułożenia), co w efekcie prowadzi do zwiększenia twardości z jednoczesnym pogorszeniem właściwości plastycznych.

---