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]:

• Obróbka cieplna zwykła

• wyżarzanie

• hartowanie i odpuszczanie (Ulepszanie, Utwardzanie cieplne)

• przesycanie i starzenie (Utwardzanie wydzieleniowe)

• Obróbka cieplno-plastyczna

• niskotemperaturowa

• wysokotemperaturowa

• z przemianą izotermiczną

• Obróbka cieplno-chemiczna

• nasycanie jednym pierwiastkiem

• nasycanie wieloma pierwiastkami

• Obróbka cieplno-magnetyczna

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

• twardość około 45 HRC

• 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”.

Część praktyczna.

Próbka nr. 1
powiększenie 400x
Struktura ferrytyczno-perlityczna
Zawartość ferrytu taka sama co perlitu.
Ziarna równomiernie rozmieszczone.
Kształt ziaren nierównomierny względem osi symetrii.
Dużych ziaren jest tyle samo co małych.

Próbka nr. 2

Poddana hartowaniu.

Chłodzona wodą 20*C
Temperatura austenityzowania Ta= 880*C, czas austenityzowania 30 minut.
Struktura martenzytu, który występuje w formie iglastej rozmieszczonej równomiernie w różnych kierunkach.
Stal po zahartowaniu zyskuje na: twardości, wytrzymałości, wzrasta jej granica plastyczności i sprężystości, maleje zaś: udarność, wydłużenie, przewężenie i obrabialność. Podczas hartowania stali powstają naprężenia własne 1-go, 2-go i 3-go rodzaju, równoważące się wewnątrz danego przedmiotu bez udziału naprężeń zewnętrznych.

Próbka nr. 3
powiększenie 400x
Po hartowaniu, odpuszczaniu niskim.
Struktura: martenzyt odpuszczony.
Kształt: iglasty, skupiska igieł rozproszone w różnych kierunkach.
Odpuszczanie niskie jest wykonywane w 150-250*C i stosowane jest dla narzędzi do pracy na zimno, sprawdzianów i sprężyn. Celem takiego odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem wysokiej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie przy małej odporności na pękanie. Struktura stali po takim odpuszczaniu nazywana jest martenzytem niskoodpuszczonym.

Próbka nr. 4
Po hartowaniu i odpuszczaniu średnim.
powiększenie 400x
Struktura: martenzyt odpuszczony
Kształt: iglasty, długość igieł podobna, kształt skupisk - gwieździsty, rozproszony w różnych kierunkach.
Odpuszczanie średnie wykonuje się w 250-500*C i stosowane jest dla sprężyn, resorów, matryc kuziennych, części broni. Twardość stali ulega niewielkiemu zmniejszeniu w stosunku do stanu zahartowanego, lecz zostaje zachowana wysoka wytrzymałość, sprężystość, a zwiększa się odporność na pękanie. Strukturą po średnim odpuszczaniu jest martenzyt średnioodpuszczony.

Próbka nr. 5
Po hartowaniu i odpuszczaniu wysokim.
powiększenie 400x
Struktura podobna do poprzednich, wydziela się drobny węglik, który ma kształt nieregularny, węglik nierównomiernie rozłożony, zajmuje około 10% powierzchni zgładu.
Odpuszczanie wysokie jest wykonywane w temperaturach wyższych od 500*C lecz niższych od AC1. Celem jest uzyskanie optymalnej kombinacji własności plastycznych i wytrzymałościowych. Stosowane jest dla części maszyn, m.in. kół zębatych, wałów korbowych i napędowych, części silników, układów kierowniczych itp. Strukturą po takim odpuszczaniu jest sorbit (drobnodyspersyjny cementyt w osnowie ferrytycznej).

Analiza:

W powyższym ćwiczeniu odnotowaliśmy 5 próbek. Pierwsza próbka była bez obróbki cieplnej, druga została poddana hartowaniu, 3,4,5 zostały poddane hartowaniu oraz odpuszczaniu odpowiednio niskiemu, średniemu i wysokiemu. Dzięki badaniu mogliśmy zaobserwować struktury próbek, a także zmiany, jakie zaszły po obróbce cieplnej.

Wnioski:

Przed hartowaniem struktura była ferrytyczno perlityczna. Po hartowaniu wydzielił się martenzyt. po odpuszczaniu niskim martenzyt ułożył się w skupisko igieł. W wyniku odpuszczania średniego materiał zyskał większą granicę plastyczności. Po obróbce wysokiej wydzielił się węglik, próbka zyskała na udarności. W wyniku odpuszczania zwiększają się wszystkie wksaźniki określające plastyczność stali (wydłużenie, przewężenie) i odporność na pękanie (udarność), natomiast obniżają się własności wytrzymałościowe (wytrzymałość na rozciąganie Rm, granica plastyczności Re), a także twardość HB.

---