WBM - Mechanika

Semestr: 3 Grupa: 2

SPRAWOZDANIE Z LABOLATORIUM MATERIAŁOZNASTWA

TEMAT: OBRÓKA CIEPLNA STALI.

1. Klasyfikacja rodzajów obróbki cieplnej

2. Podstawowe przemiany fazowe w stalach

3. Wykonanie ćwiczenia

Pod pojęciem obróbki cieplnej rozumiemy odpowiednio dobrane zabiegi cieplne, które prowadzą do zmiany własności stali przez zmiany struktury, wywołane przemianami fazowymi zachodzącymi w stanie stałym.

Rodzaje obróbki cieplnej:

1. Wyżarzanie - 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. Wyróżniamy następujące rodzaje wyżarzania:

• Wyżarzanie ujednoradniające - polega na nagrzaniu do temperatury zbliżonej do linii solidus (zwykle 1000 - 1250ºC), 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 - jest to długotrwałe wygrzewanie powyżej Ac₃ celem rozkładu cementytu na grafit - przeprowadza się je przy produkcji żeliwa ciągliwego.

• Wyżarzanie normalizujące - polega na nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn. 30 - 50ºC 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 zupełne, z tym że temperatura jest pośrednia między Ac₁ - Ac₃ dla stali podetektoidalnych oraz między Ac₁ - Ac_cm dla stali nadeutektoidalnych. Cel zabiegu jest analogiczny do wyżarzania zupełnego.

• 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 - jest podobne do wyżarzania izotermicznego, z tym że nie jest konieczne szybkie studzenie do temperatury perlityzowania. Zwykle po perlityzowaniu stal jest ponownie nagrzewana do temperatury austenityzowania w celu zahartowania. W wyniku perlityzowania uzyskuje się rozdrobnione ziarna austenitu, a tym samym zwiększenie dyspersji martenzytu.

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

• Wyżarzanie rekrystalizujące - stosowane po uprzednim zgniocie, przeprowadza się w temperaturze poniżej Ac₁, ale powyżej temperatury rekrystalizacji w celu usunięcia skutków zgniotu.

• Wyżarzanie odprężające - polega na nagrzaniu wyrobów do temperatury poniżej Ac₁ (zwykle poniżej 650ºC), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym ostudzeniu. Celem obróbki jest zmniejszenie naprężeń wewnętrznych bez wywoływania zmian strukturalnych.

2. Hartowanie - w przeciwieństwie do zabiegów wyżarzania hartowanie, zwłaszcza martenzytowe, prowadzi do powstania struktury nierównowagowej. Celem zabiegu jest znaczne zwiększenie twardości wyrobu. Rozróżniamy następujące metody hartowania:

• 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, polega na stosowaniu dwóch ośrodków chłodzących (np. najpierw wody a potem 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, ma podobny przebieg jak stopniowe, z tym że czas wytrzymania w temperaturze pośredniej jest dostatecznie długi, aby zaszła przemiana bainityczna

• 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.

3. 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.

4. Patentowanie - jest to obróbka mająca na celu uzyskanie drobnego perlitu. Po austenityzowaniu następuje szybkie schłodzenie do temperatury około 500ºC i wytrzymanie w tej temperaturze przez okres wystarczający do zajścia przemiany perlitycznej.

5. Przesycanie i starzenie - mogą być stosowane w stopach, w których następuje zmniejszenie 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.

6. Wymrażanie - polega na obniżeniu temperatury zahartowanego przedmiotu poniżej 0ºC. Ma na celu dalsze rozłożenie austenitu nie przemienionego w martenzyt. Ze względu na skłonność austenitu do stabilizacji wraz z upływem czasu, wymrażanie powinno być przeprowadzone bezpośrednio po zahartowaniu.

Podstawowe przemiany fazowe w stalach:

1. Przemiana perlitu w austenit - jest to pierwsza przemiana podstawowa decydująca o możliwości zachodzenia następnych.

2. Rozrost ziarn austenitu

3. Przemiany przy chłodzeniu stali

• Dyfuzyjna przemiana austenitu

• Przemiana perlityczna

• Przemiana bainityczna

• Bezdyfuzyjna przemiana austenitu

Przebieg ćwiczenia:

Do przeprowadzenia ćwiczenia użyto stali 45 (wg odpowiednich norm hutniczych), do przeprowadzenia ćwiczenia zostały użyte dwie próbki o przekroju 2 cm².

Przed zahartowaniem twardość stali była niemierzalna metodą Rockwella (poniżej 20 HRC).

Hartowanie przebiegało w piecu hartowniczym w temperaturze ok. 900ºC przez okres ok.40min.

Następnie po 40 minutach nagrzewania jedna z próbek została schłodzona w oleju a druga w wodzie.

Po zeszlifowaniu zgorzeliny i wierzchniej warstwy tlenków przystąpiono do pomiaru twardości metodą Rockwella. Obie próbki miały podobną twardość 53 stopnie HRC.

Następnie zostało przeprowadzone odpuszczanie (średnie) w wyniku którego nastąpił spadek twardości, likwidacja większości naprężeń hartowniczych oraz wzrost własności plastycznych stali.

---