1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego

Celem ćwiczenia jest :

• zapoznanie się z problematyką obróbki cieplnej stali stopowych,

• analiza wpływu składu i obróbki cieplnej stali stopowych na ich własności mechaniczne,

• poznanie metod badania hartowności stali.

W zakres ćwiczenia wchodzi :

• dobór parametrów obróbki cieplnej wybranych stali stopowych,

• pomiar twardości wybranych gatunków stali stopowych w stanie surowym, po hartowaniu oraz po hartowaniu i odpuszczaniu,

• przeprowadzenie próby hartowania od czoła dla wybranych gatunków stali węglowych i stopowych,

• analiza uzyskanych wyników.

2. Opis stanowiska badawczego

• próbki stali stopowych do badań twardości (w stanie surowym, po hartowaniu , po hartowaniu i odpuszczaniu ),

• próbki ze stali węglowej i stali stopowej do badania hartowności metodą Jominy'ego,

• wyciągi z Polskich Norm dotyczących stali stopowych i ich obróbki cieplnej,

• twardościomierz Brinella,

• twardościomierz Rockwella,

• urządzenie do badania hartowności metodę hartowania od czoła.

3. Przebieg realizacji eksperymentu

• na podstawie PN oraz literatury dobrać parametry hartowania i odpuszczania dla wybranych stali stopowych,

• dokonać pomiaru twardości próbek stali stopowych w stanie surowym (HB), po harowaniu (HRC), oraz po hartowaniu i odpuszczaniu (HRC) zgodnie z wyznaczonymi parametrami procesu ; wyniki zestawić w tabeli,

• wyznaczyć idealną średnicę krytyczna dla wybranej stali węglowej i stopowej metodą Grossmana,

• przeprowadzić próbę hartowania od czoła (Jominy'ego) dla próbek ze stali węglowej i stopowej.

4. Prezentacja wyników badań

Wyniki pomiarów twardości próbek stali stopowych

Stan surowy	Temperatura hartownia i ośrodek	Temperatura odpuszczania i ośrodek	Twardość
						Stan surowy	Hartownie	Hartowanie i odpuszczanie
ŁH 15	840 ^oC olej	160 ^oC powietrze	143 HB	62 HRC	66 HRC
40 H	840 ^oC olej	500 ^oC woda, olej	165 HB	56 HRC	42 HRC
NC 6	840 ^oC olej	180 ^oC powietrze	159 HB	65 HRC	62 HRC
WNL	840 ^oC olej	500 ^oC powietrze	138 HB	56 HRC	56 HRC
50 HSA	840 ^oC olej	500 ^oC powietrze	209 HB	55 HRC	46 HRC

Wykresy krzywych hartowania od czoła dla próbek ze stali węglowej 55 oraz ze stali stopowej 40 H.

L.p.	1,5	3	5	7	9	11	13	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75	80	85	90	95	100
55	60,6	57	40	35	34	34	33	32,5	31	29,5	28,5	26	25	22,5	21,5	21	20	19,5	19	19	20	21	20	21	22
40H	57,5	56,5	55	53	49,5	45	42	40	36,5	36	34	27	23,5	22,5	22	20	20	19,5	19	19	19	20,5	21,5	22	22

Określenie średnicy krytycznej metodą hartowania od czoła ( Jominy'ego ).

Dla stali węglowej 55 twardość strefy półmartenzytycznej wynosi 45 HRC , z wykresu odczytujemy tzw. odległość krytyczna l_k ≈ 5 mm , dla tych wartości odczytujemy średnicę z wykresu ilustrującego zależność D_kl od l_k , która wynosi około 40 mm.

Dla stali stopowej 40H twardość strefy półmartenzytycznej wynosi 38 HRC , z wykresu odczytujemy tzw. odległość krytyczna l_k ≈ 18 mm , dla tych wartości odczytujemy średnicę z wykresu ilustrującego zależność D_kl od l_k , która wynosi około 98 mm.

Określenie średnicy krytycznej metodą obliczeniową ( Grossmana ).

Obliczenia idealnych średnic krytycznych wykonujemy stosując wzory :

%C - zawartość węgla

B - współczynnik zależny od wielkości ziarna austenitu ( N = 5 )

f_MnI ÷ f_MnN - współczynniki hartowności uwzględniające wpływ poszczególnych składników

stopowych, które można wyznaczyć z zależności :

f = 1 ± ax

gdzie x - koncentracja danego pierwiastka stopowego wyrażona w %,

a - stała empiryczna uwzględniająca siłę wpływu danego pierwiastka.

Średnica krytyczna dla stali stopowej 40H

Zawartość procentowa pierwiastków:

• 0,4% C

• 0,7% Mn f = (1 + 4,8 * 0,7 ) = 4,36

• 0,25% Si f = ( 1 + 0,7 * 0,25 ) = 1,175

• 1% Cr f = ( 1 + 2,16 * 1 ) = 3,16

Średnica krytyczna dla stali węglowej 55

Zawartość procentowa pierwiastków:

• 0,55% C

• ilość innych pierwiastków jest tak mała, że ją zaniedbujemy

5. Analiza i wnioski

Po przeprowadzeniu próby można stwierdzić, że stal stopowa 40H wykazuje lepszą hartowność niż stal węglowa 55, co obrazuje średnica krytyczna, która jest znacznie większa ( odpowiednio 95,5 mm oraz 6,93 mm). Wynikiem takiego rozwiązania jest zastosowanie dodatków stopowych , takich jak mangan , chrom , krzem , które w dużym stopniu zwiększają hartowność tej stali.

Analizując rezultaty próby Jominy'ego z metodą obliczeniową Grossmana możemy zauważyć, że o ile średnice krytyczne dla stali stopowej 40H są w obu próbach zbliżone do siebie, to w przypadku stali węglowej 55 stwierdzamy znaczną różnicę. W metodzie obliczeniowej uzyskujemy dokładną wartość średnicy, natomiast w próbie hartowania od czoła otrzymujemy przybliżone wartości tej wielkości. Dodatkowo próba ta obarczona jest mogącymi występować błędami w czasie jej przeprowadzania tzn. zbyt duża (mała) temperatura nagrzania przedmiotu, źle dobrany współczynnik intensywności chłodzenia, ”przekłamania” twardościomierza.

Obserwując tabelę twardości próbek stalowych zauważamy , że w większości przypadków twardość stali po odpuszczaniu była niższa niż próbek zahartowanych, jedynie stal łożyskowa ŁH 15 zanotowała wzrost twardości. Spadek twardości odbył się kosztem polepszenia własności plastycznych , a także zmniejszeniem naprężeń wewnętrznych. Należy zwrócić uwagę na to , że niektóre próbki zostały poddane odpuszczaniu w innych warunkach ( ŁH 15 odpuszczana w temperaturze 160 ^oC , NC 6 w 180 ^oC ) niż pozostałe ( 500 ^oC ), co miało również wpływ na własności stali. Zasadność zastosowania odpowiedniej obróbki cieplnej jest zależna od warunków w jakich element wykonany z danego rodzaju stali będzie pracował , a przede wszystkim od tego jaką role ma pełnić.

---