1. Cel ćwiczenia.

Przez odpowiedni dobór parametrów obróbki cieplnej uzyskać można materiał o żądanych własnościach. Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie obróbki cieplnej stali, polegającej na hartowaniu

i odpuszczaniu oraz zbadanie, jaki wpływ obróbka cieplna wywiera na strukturę i własności mechaniczne stali.

2.Wykonanie ćwiczenia.

2.1. Materiał.

Stal węglowa do utwardzania powierzchniowego i ulepszania cieplnego 45 w stanie wyżarzonym o średnicy φ 12mm.

2.2. Przebieg ćwiczenia.

Z pręta φ 12mm wykonano próbki do pomiary twardości i udarności.

Określić należy:

1. Twardość i udarność stali w stanie wyjściowym (nie obrobionej cieplnie).

2. Twardość i udarność stali po zahartowaniu.

3. Twardość i udarność stali po hartowaniu i odpuszczaniu (niskim, średnim

i wysokim).

2.3. Kolejność wykonywania czynności.

Próbki oznaczone są cyframi od 1 do 5.

1. Nie obrabiać cieplnie próbki oznaczonej numerem 1 - należy tylko zmierzyć jej twardość ( 10 pomiarów ) metodą Rockwella stosując penetrator stożkowy i obciążenie 100kG ( skala HRD ).

2. Pozostałe próbki ( o numerach 2 - 5 ) umieścić w piecu o temperaturze 850°C i wygrzewać w ciągu 20 minut, a następnie zahartować kolejno

w wodzie.

3. Zmierzyć twardość próbki numer 2.

4. Pozostałe próbki odpuszczać. Próbkę nr 3 w temperaturze 200°C, próbkę nr 4 w temperaturze 350°C, a próbkę nr 5 w temperaturze 550°C. Czas odpuszczania wszystkich próbek 1 godzina. Po ostudzeniu na powietrzu zmierzyć twardość próbek numer 3, 4 i 5 ( 10 pomiarów - skala HRD ).

5. Wykonać pomiary udarności próbek 1- 5. Zmierzyć średnicę w miejscu karbu przy pomocy suwmiarki ( wystarczy na jednej próbce ). Złamać próbki na młocie Charpy'ego ( przy udziale prowadzącego ćwiczenia ), notując wartości pracy ( energii ). Obejrzeć przełomy próbek. Obejrzeć

i narysować mikrostruktury próbek ( z materiału w stanie wyjściowym

i po obróbkach cieplnych ).

3. Opracowanie sprawozdania.

Sprawozdanie powinno zawierać:

1. Opis przebiegu eksperymentu.

2. Wyniki badań.

3. Interpretację uzyskanych wyników.

4. Wnioski.

Wyniki pomiarów.

Wyniki pomiarów twardości przeprowadzone na wszystkich próbkach.

Skala HRD.

	Próbka nr 1	Próbka nr 2	Próbka nr 3	Próbka nr 4	Próbka nr 5
1	37	56	55	53	40
2	30	57	57	61	42
3	30	73	64	54	43
4	32	58	61	54	44
5	30	66	59	55	42
6	33	75	62	53	37
7	29	55	59	52	43
8	31	64	65	55	44
9	30	59	54	56	43
10	32	62	69	53	43
Wartość średnia	31	62	60	54	42

Wyniki pomiarów udarność

	Próbka nr 1	Próbka nr 2	Próbka nr 3	Próbka nr 4	Próbka nr 5
Udarność	28	5	28	31	140

Próbki:

1. Stal 45 w stanie wyżarzonym.

2. Stal 45 zahartowana.

3. Stal 45 hartowana i odpuszczana w 200°C.

4. Stal 45 hartowana i odpuszczana w 350°C.

5. Stal 45 hartowana i odpuszczana w 550°C.

Omówienie przełomów.

Po przełamaniu próbek na młocie Charpy'ego oprócz wyników udarności otrzymaliśmy także przełomy. Wygląd przełomu charakteryzuje nam wielkość ziarna oraz charakter pękania.

Przełom próbki numer 1:

Powierzchnia tego przełomu jest silnie porowata z licznymi wyrwaniami materiału, jest silnie zniekształcona. Materiał jest dość kruchy

i charakteryzuje się niską wytrzymałością.

Przełom próbki numer 2:

Charakter przełomu tej próbki jest typowo kruchy. Powierzchnia przełomu jest prawie idealnie płaska, ziarno jest małe.

Przełom próbki numer 3:

Przełom tej próbki jest bardzo podobny do przełomu próbki numer 2,

z tym, że powierzchnia przełomu jest nieznacznie bardziej porowata

z łukowatymi rowkami rozchodzącymi się od miejsca uderzenia młota.

Przełom próbki numer 4:

Powierzchnia przełomu jest już bardziej porowata, ziarno w czasie odpuszczania musiało się nieznacznie rozrosnąć, na powierzchni przełomu widać zaczątki plastyczności materiału ( pojawiła się znacząca wyrwa

z powierzchni przełomu ).

Przełom próbki numer 5:

Z przełomu tego materiału można wywnioskować znaczną plastyczność w porównani z próbkami numer 2, 3 oraz 4. Powierzchnia przełomu jest porowata z licznymi wyrwami materiału. Przełom za znacznie ciemniejszy kolor niż wszystkie próbki.

Wnioski.

Obróbka cieplna jest zabiegiem lub połączeniem kilku zabiegów cieplnych mających na celu zmianę struktury stopów w stanie stałym, a przez to nadanie im pożądanych właściwości mechanicznych. W naszym przypadku zabieg obróbki cieplnej składa się z hartowania i odpuszczania.

Hartowanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu elementu do temperatury 30 ÷ 50°C powyżej Ac₃ - Ac₁ wygrzaniu w tej temperaturze

z następnym dostatecznie szybkim oziębieniem, w celu otrzymania struktury martenzytycznej lub bainitycznej, a przez to zwiększenie twardości stali. Wysokość temperatury nagrzania przy hartowaniu zależy od składu chemicznego stali, a zwłaszcza od zawartości węgla. Hartowanie (w tym przypadku zwykłe) powoduje wzrost twardości oraz spadek własności plastycznych-udarności względem stanu wyżarzonego.

Odpuszczanie jest to zabieg cieplny stosowany do przedmiotów uprzednio zahartowanych, polegający na nagrzewaniu ich do temperatury niższej od Ac₁ , wygrzewaniu w tej temperaturze z następnym powolnym chłodzeniem powolnym lub przyspieszonym. Jest one zwykle stosowane w celu polepszenia własności plastycznych elementów przy jednoczesnym usunięciu naprężeń własnych, które mogłyby doprowadzić do ich pęknięcia.

Główną i najistotniejsza przemianą, jaka zachodzi w zahartowanej stali, jest rozkład martenzytu, który pozostawał w stanie równowagi metastabilnej, w mieszaninę faz złożoną z ferrytu i węglików.

W zależności od temperatury zabiegu rozróżnia się odpuszczanie:

1. niskie 100 - 250° C

2. średnie 250 - 450° C

3. wysokie 450 - 600° C

Odpuszczanie niskie nie powoduje większych zmian twardości i udarności względem stanu zahartowanego. Twardość próbek jest porównywalna, następuje mały spadek udarności próbki odpuszczanej. Odpuszczanie niskie nie obniża twardości, ale odpręża materiał

i zmniejsza jego skłonność do kruchego pękania.

Odpuszczanie średnie daje lepszą kombinację własności wytrzymałościowych i plastycznych niż w przypadku próbek w stanie wyżarzonym, zahartowanym i nisko odpuszczonym (twardość próbki maleje natomiast udarność i granica spręzystości rośnie).

Wysokie odpuszczanie powoduje wyraźne zmniejszenie własności wytrzymałościowych (Rm, Re, HB ) oraz zwiększenie własności plastycznych

( A₅, Z ). Powoduje dalszy spadek twardości i gwałtowny wzrost udarności.

Obróbka cieplna polegająca na zahartowaniu i średnim lub wysokim odpuszczaniu stali prowadzi do optymalnej kombinacji własności wytrzymałościowych i plastycznych.

Na wynik odpuszczania oprócz temperatury wpływa również, chociaż w nieco mniejszym stopniu, czas odpuszczania.

Przy odpuszczaniu stali w temperaturze 200°C następuje wydzielanie się węglika ε, skutkiem, czego jest zmniejszenie zawartości węgla

w martenzycie. Równocześnie zachodzi dyfuzyjna przemiana austenitu szczątkowego w strukturę o charakterze bainitycznym.

Podczas odpuszczania w temperaturze 350°C zostaje całkowicie wydzielony węgiel z roztworu, a wydzielone węgliki ε ulegają przemianie na cementyt.

Przy temperaturze odpuszczania 550°C zachodzi koagulacja cząstek cementytu. Otrzymana struktura przy odpuszczaniu martenzytu przy tej temperaturze to mieszanina ferrytu i cementytu. Na tym etapie przemian przy odpuszczaniu następuje całkowite usunięcie naprężeń.

Przy odpuszczaniu w temperaturze 200°C istnieje zahamowanie spadku twardości. Przy dalszym wzroście temperatury odpuszczania w naszym przypadku dla temperatury 350°C twardość stali maleje, równocześnie

z twardością maleje granica sprężystości, wytrzymałość na rozciąganie,

a własności plastyczne - jak wydłużenie i przewężenie oraz udarność - wzrastają. W temperaturze 550°C zauważalny jest znaczny spadek twardości.

Z uzyskanych wyników pomiarów twardości i udarności widać wyraźnie, że największą twardością wykazała się stal wygrzewana w temperaturze 850 C (próbka nr 2), a następnie zahartowana w ośrodku chłodzącym (wodzie). Stal ta jednak miała najniższą udarność spośród badanych próbek, przez co nie nadaje się ona do wykorzystania przy budowie elementów urządzeń narażonych na obciążenia dynamiczne, a jedynie takich, w których chcemy uzyskać wysoką odporność na ścieranie. W próbce nr 2 w wyniku szybkiego ostudzenia uzyskaliśmy drobne ziarno. Przełom tej próbki jest regularny. Pozostałe miały przełomy mniej lub bardziej nieregularne (w szczególności próbka 5). Największą udarnością, ale z kolei najmniejszą twardością spośród próbek odpuszczanych cechuje się właśnie próbka nr 5 - stal odpuszczana w temperaturze 550 C. Mniejszą twardość ma tylko próbka nr 1 - nie obrabiana. Stal taką można stosować do elementów maszyn pracujących w warunkach obciążeń dynamicznych ( oczywiście w porównaniu do próbek 1-4). Łatwo zauważyć, że im większa temperatura odpuszczania tym mniejsza twardość i większa udarność.

Przeprowadzone ćwiczenie wykazało, że odpuszczanie prowadzi do usunięcia naprężeń oraz przemian wywołujących zmniejszenie twardości i wzrost plastyczności stali. Z oględzin miejsca uderzenia młota w próbkę (w karb) można wstępnie wnioskować o twardości i udarności próbki.

1

---