WYDZIAŁ INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ
POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ

LABORATORIUM MATERIALOZNAWSTWA

Materiały pomocnicze do ćwiczenia nr 4 pt. :
„OBRÓBKA CIEPLNA STALI KONSTRUKCYJNEJ (ulepszenie cieplne)”

Opracował dr inż. Andrzej W. Kalinowski

1. WIADOMOŚCI WSTĘPNE

Polska norma PN-76-H/0-01200 obróbkę cieplną definiuje jako „proces technologiczny, w wyniku którego zmienia się własności mechaniczne i fizykochemiczne metali i stopów w stanie stałym, przede wszystkim przez wywołanie zmian strukturalnych będących głównie funkcją temperatury, czasu oraz działania środowiska".

Inaczej można powiedzieć, ze obróbka cieplna ogólnie jest sposobem wykorzystującym przemiany aktywowane cieplnie, jakie zachodzą w metalach, w celu osiągnięcia wymaganych właściwości mechanicznych czy fizykochemicznych, o ile nie jest celem zmiana składu chemicznego przypowierzchniowej warstwy metalu. Podstawą jej są
głównie zmiany strukturalne zachodzące w stopach pod wpływem przemian alotropowych i
zmiany wzajemnej rozpuszczalności składników w stanie stałym. Warunkiem możliwości
stosowania wielu rodzajów obróbek cieplnych jest więc konieczność aby przynajmniej jeden
ze składników stopu był polimorficzny lub posiadał zmienną rozpuszczalność innego
składnika w stanie stałym.

Nie zawsze jednak spełnienie któregoś z wymienionych warunków w określonym
stopie i po zastosowaniu do niego obróbki cieplnej da praktycznie opłacalny efekt.

Na ogół w wyniku przeprowadzenia różnych obróbek cieplnych otrzymuje się fazy
lub struktury odległe od stanu równowagi. Jako przykład może posłużyć struktura uzyskana
po hartowaniu stali lub po odkształceniu plastycznym na zimno. W obu przypadkach
struktura odbiega od równowagi, określonej najniższą energią swobodną, a mimo to jest
stabilna o ile nie zostanie poddana działaniu temperatury. Struktury takie nazywa się
metastabilnymi. Zgodnie z prawami termodynamiki istnieć będzie w nich dążność do
osiągnięcia stanu równowagi. Siłą napędową realizacji tej dążności jest różnica energii
swobodnej ΔF między stanem rzeczywistym (nierównowagowym), uzyskanym po obróbce
cieplnej, a stanem równowagi w określonych warunkach.

Zwykle czynnikiem powodującym uruchomienie procesów powrotu do równowagi jest
dostarczenie do układu pewnej ilości energii (zwykle energii cieplnej) Ogólnie można
powiedzieć, że w wyniku obróbek cieplnych przeprowadzonych w celu uzyskiwania
wyższych właściwości wytrzymałościowych otrzymuje się:

• fazy, struktury nierównowagowe - metastabilne (np. martenzyt w stali),

• duży stopień rozdrobnienia ziarna faz i struktur bliskich stanu równowagi (np. sorbit),

• fazy będące roztworami, w których w pewnych obszarach ziarn wywołuje się grupowanie
  atomów drugiego składnika (stref-G-P) co powoduje sprężyste odkształcenie sieci,
  skrócenie swobodnej drogi ruchu dyslokacji a w konsekwencji umocnienie stopu.

Uproszczoną istotą obróbki cieplnej w sensie czynności praktycznych jest nagrzewanie stopu-metalu z określoną prędkością do założonej temperatury, wygrzanie w tej temperaturze w wymaganym czasie i chłodzenie z różnymi prędkościami. Te cząstkowe okresy obróbki nazywa się zabiegami a cały ich zespół nosi nazwę operacji.

Warto odnotować, że w naszym kręgu cywilizacji śródziemnomorskiej pewne
obróbki cieplne stosowano do stali już ponad 2OOO lat temu, o czym mówią zapiski greckie
(Pliniusz 23 r pne.) Świadczy to o stałej potrzebie człowieka uzyskiwania coraz lepszych
właściwości materiałów, z których wytwarza się przedmioty użytkowe.

2. ULEPSZANIE CIEPLNE

Najczęściej stosowaną obróbką cieplną do stali konstrukcyjnych, zarówno węglowych jak i stopowych jest ulepszanie cieplne. Składa się ona z dwóch po sobie następujących operacji hartowania i odpuszczania. Pod pojęciem ulepszania cieplnego rozumie się hartowanie i wysokie odpuszczanie tj. w zakresie 550°C-670°C.

1. Hartowanie

Zgodnie z PN- 76/H-0 1200 ogólnie harowanie jest to:

• „austenityzowanie przedmiotu i oziębienie, w celu uzyskania struktury martenzytycznej lub bainitycznej”,

• „hartowanie martenzytyczne - hartowanie przy zastosowaniu oziębienia z szybkością
  większą od krytycznej, w celu uzyskania struktury martenzytycznej”.

Przemiana martenzytyczna, dzięki której przeprowadza się hartowanie, zachodzi w
warunkach, kiedy austenit zostanie przechłodzony do takich temperatur w których bez względu na rozpuszczony w nim węgiel żelazo ulega przemianie alotropowej Feγ⇒Feα.

Dyfuzja węgla w niskich temperaturach jest tak mała. że można ją pominąć wtedy ma
miejsce tylko przebudowa sieci z RSC (A1) na RPC (A2) Z pewnym uproszczeniem można
powiedzieć, że mechanizm przemiany martenzytycznej polega na przesunięciach płaszczyzn
sieciowych w których biorą udział wszystkie leżące na nich atomy żelaza oraz w taki
sposób. ze atom żelaza w czasie przemiany nie zmienia swoich sąsiadów Ruch najbliżej
siebie lezących atomów jest mniejszy od parametru sieci. W czasie przemiany austenitu w
martenzyt zachodzi przebudowa sieci bez zmiany składu chemicznego fazy macierzystej i
fazy nowo utworzonej. Taka przemiana przebiega z dużą prędkością (wynoszącą od 1000
do 7000 m/s) i jest bezdyfuzyjną. Początkowo inicjują przemianę naprężenia cieplne powstałe w wyniku chłodzenia. Można uznać, ze nie zachodzi ona w stałej temperaturze a w pewnym jej zakresie - rozpoczyna się w temperaturze Ms (początek przemiany) i kończy w Mf (koniec przemiany). Zakres ten również nie jest stały lecz obniża się wraz ze w wzrostem zawartości węgla (rys. 1).

Rys. 1. Wykres początku (Ms) i końca (Mf) przemiany martenzytycznej w zależności od zawartości węgla

Inną charakterystyczną cechą jest brak wpływu szybkości chłodzenia na temperaturę początku przemiany. Natomiast szybkość chłodzenia wpływa wyraźnie na sam przebieg przemiany. Przy powolniejszym chłodzeniu nieco poniżej temperatury Ms przemiana zachodzi w większym stopniu, a przy temperaturach znacznie niższych od temperatury Ms (w przybliżeniu ok. 100°C), gdy już utworzy się dość duża ilość martenzytu to przyspieszenie chłodzenia powoduje większy stopień przemiany.

Produktem jej jest roztwór stały przesycony węgla w żelazie Fe_α nazwany martenzytem, o
tym samym składzie chemicznym co austenit, W Fe_γ bowiem maksymalna zawartość węgla
w temperaturze eutektoidalnej wynosi 0,02%. Przemianę tę dla uproszczenia można zapisać
symbolami, gdzie podwójny nawias oznacza stan przesycenia:

Fe_γ (C) ⇒ Fe_α [(C)]

A ⇒ M

Stan przesycenia powoduje charakterystyczną cechę krystalicznej struktury martenzytu, którą jest tetragonalność. Znaczy to, że jeden z parametrów liniowych sieci regularnej jest większy od dwóch pozostałych (rys. 2).

Rys. 2. Elementarna komórka krystaliczna martenzytu

Stopień tetragonalności c/a jest większy od jedności i zależy od zawartości węgla w roztworze (rys. 3).

Rys. 3. Stopień tetragonalności sieci martenzytu w zależności od zawartości węgla

Im więcej znajduje się węgla w roztworze tym większy jest stopień tetragonalności co wpływa na właściwości wytrzymałościowe martenzytu i oczywiście stali. Np. twardość martenzytu zawierającego 0,1% C wynosi mniej niż 30HRC a przy zawartości 0,7% C osiąga maksymalną wartość 64HRC i przy dalszym wzroście węgla nie zwiększa się już w sposób znaczący.

Mikrostruktura martenzytu ma pewne cechy wyjątkowe. Ziarna martenzytu mają kształt płytek ułożonych częściowo równolegle do siebie i częściowo pod kątami 60° i 120° (rys. 4). W płaszczyźnie zgładu metalograficznego ujawniają się one w kształcie igieł. Stąd w opisie mikrostruktury martenzytu używa się określenia "iglasty". W zależności od rozmiarów tych igieł martenzyt dzieli się na gruboiglasty, drobnoiglasty lub skrytoiglasty, gdy przy największych nawet powiększeniach w mikroskopie świetlnym jest on ledwie widoczny.

Rys. 4. Igły martenzytu: a - schemat, b - w stali węglowej 45, c - mikrostruktura stali 45
w stanie znormalizowanym pokazana w celu porównania ze strukturą martenzytyczną.

Warunki obróbki cieplnej określa się na podstawie wykresów przemiany austenitu w warunkach przechłodzenia izotermicznego (CTPi-czas, temperatura, przemiana) lub chłodzenia ciągłego (CTPc) przedstawione na rys. 5. Potocznie wykresy te z uwagi na kształt linii początku i końca przemiany, nazywa się krzywymi "C".

Ze względu na dużą praktyczną przydatność tych wykresów sporządza się je dla gatunków stali (węglowych i stopowych) poddawanych obróbce cieplnej. Na ich podstawie można określić krytyczną szybkość hartowania, ocenić hartowność stali (tj. zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej), śledzić wpływ różnych czynników (np. składu chemicznego) na trwałość austenitu, określać wspomniane wyżej warunki obróbki cieplnej itd.

Bardziej przydatne są wykresy CTPc, gdy z praktycznie najczęściej stosuje się chłodzenie ciągłe. Na wykresach tych podaje się opisy struktur jakie tworzą się w różnych temperaturach lub przy różnych szybkościach chłodzenia w wyniku przemiany austenitu, jak również ich twardości Pomiędzy krzywymi początku i końca przemiany nanosi się linie krzywe podające stopień jej zaawansowania.

Rys. 5. Wykresy przemian austenitu stali podeutektoidalnej otrzymane w warunkach:

a - izotermicznych, b - chłodzenia ciągłego

Na wykresach rzeczywistych, z których jeden przykład pokazano na rys. 6, litery oznaczają obszary istnienia lub tworzenia się odpowiednich faz lub struktur, liczby udziały ich w powstałej mikrostrukturze, a liczby w okręgach informują o twardości stali po przemianie, określone metodą Rockwell'a, Vickers'a lub Brinell'a.

Rys. 6. Wykres przemiany austenitu stali 45 przy ciągłym chłodzeniu. (2)

Jednym z warunków uzyskania struktury martenzytycznej, jak podaje norma jest chłodzenie stali będącej w stanie austenitycznym z szybkością większą od szybkości krytycznei hartowania. Szybkość tę definiuje się jako najmniejszą szybkość, przy której uzyskuje się martenzyt. Graficznie przedstawia się ją na wykresie „C” jako linię prostą styczną do krzywej początku przemiany. Wartość tej szybkości nie jest stała ani uniwersalna dla wszystkich stali. Zależy bowiem od trwałości austenitu a to wiąże się z położeniem krzywych „C” w stosunku do początku współrzędnych. Na położenie to będą wpływały takie czynniki jak: skład chemiczny stali, niejednorodność austenitu, wielkość ziarna itp.

Np. wszystkie pierwiastki jakie wprowadza się do stali, jako składniki stopowe prócz kobaltu przesuwają krzywe „C” w prawo, a zatem zmniejszają wartość szybkości krytycznej hartowania. Przy dużej zawartości odpowiednich składników stopowych wprowadzonych do stali wartość tej szybkości może być mniejsza od szybkości chłodzenia w spokojnym powietrzu Takie stale określa się jako „samohartujące się”. Potoczne twierdzenie, że w celu otrzymania martenzytu należy chłodzić stal z dużą szybkością jest mało precyzyjne, na ogół odnosić się ono może do stali węglowych, których szybkości krytyczne hartowania są rzeczywiście duże (ok. 150°C/s) Znajomość krytycznej prędkości hartowania pozwala na dobranie ośrodka chłodzącego gwarantującego wymaganą szybkość chłodzenia dla obrabialnego cieplnie elementu.

Dla porządku przypomnieć należy, że struktury tworzące się przy mniejszych szybkościach chłodzenia od szybkości krytycznej lub przy przemianach W warunkach izotermicznych (rys. 5a) określa się jako struktury typu perlitycznego. Bowiem produktem przemiany są mieszaniny złożone z ferrytu i cementytu o różnym stopniu rozdrobnienia z cementytem w kształcie płytek.

Przy małych stopniach przechłodzenia lub niewielkiej szybkości chłodzenia tworzy się perlit gruby Przy nieco większych przechłodzeniach lub szybkościach chłodzenia - perlit drobny.

W zakresie temperatur poniżej najmniejszej trwałości austenitu tj. ok. 550°C i powyżej temperatury Ms przebieg przemiany austenitu jest bardziej złożony Znaczny stopień przechłodzenia zmniejsza możliwości dyfuzyjnego przemieszczania się atomów żelaza, natomiast atomy węgla wykazują znaczną ruchliwość. Przemiana nie ma więc w pełni charakteru dyfuzyjnego, a raczej pośredni, mieszany tj. częściowo dyfuzyjny a częściowo bezdyfuzyjny. Wskutek ograniczonej ruchliwości atomów żelaza bezdyfuzyjnie następuje zmiana sieci krystalicznej, a tworzący się ferryt jest przesycony i charakteryzuje się iglastą martenzytyczną budową. W przemianie tej ferryt jest fazą wiodącą i powstaje przed cementytem. Znaczna jeszcze ruchliwość atomów węgla powoduje, że zarówno w ferrycie, jak i nie przemienionym jeszcze austenicie wydzielają się cząstki cementytu. Malejąca zawartość węgla w austenicie ułatwia tworzenie się nowych igieł ferrytu co powoduje, że przemiana trwa dalej aż do wyczerpania się austenitu. Utworzone w ten sposób produkty przemiany nazwano bainitem, a przemianę bainityczną.

Ze względu na znaczną rozpiętość temperatury, w której przebiega przemiana bainityczna, zauważa się pewne w niej różnice, które zaznaczają się w otrzymanych mikrostrukturach.

W górnej części zakresu przemiany (550°C - 350°C) dominujące są równolegle ułożone grube płytki ferrytu i równoległe do nich płytkowe wydzielenia cementytu. Tak ukształtowaną strukturę nazwano bainitem górnym. W dolnej części zakresu (350°C - Ms) powstający ferryt jest bardziej przesycony. Utworzona struktura jest iglastą mieszaniną przesyconego ferrytu i bardzo drobnych cząstek cementytu. Tę strukturę nazwano bainitem dolnym.

Z krzywej kinetyki przemiany martenzytycznej (rys. 7) wynika, że nie zachodzi ona do końca w mikrostrukturze stali zahartowanej pozostaje pewna ilość austenitu, który nie uległ przemianie. Ten austenit nazwano austenitem szczątkowym (Asz).

Przyczynę pozostawania nie przemienionego austenitu w mikrostrukturze tłumaczy się tym, że tworzący się martenzyt posiada większą objętość właściwą niż austenit. Powoduje to powstanie naprężeń strukturalnych, które hamują przemianę austenitu (rys. 4a). Wartość tych naprężeń jest duża (sięga nawet 650 MPa), tak że zdarza się, że przedmioty podczas hartowania ulegają Pękaniu (Pęknięcia hartownicze). Austenit szczątkowy jest fazą niepożądaną w stali zahartowanej gdyż obniża jej właściwości wytrzymałościowe. Wielkość jego udziału zależy od zawartości węgla w austenicie to znaczy im więcej roztwór zawiera węgla tym więcej pozostaje austenitu szczątkowego w mikrostrukturze (rys. 8).Podobny wpływ mają niektóre składniki jak np. Mn, Cr, Ni w stalach stopowych. Ilość Asz zależy również od temperatury przemiany martenzytycznej Ms. Im jest ona niższa tym więcej pozostaje austenitu szczątkowego. Obraz mikroskopowy nadmiernej jego ilości pokazano na rysunku 9.

Rys. 7. Krzywa kinetyki przemiany martenzytycznej

Rys. 8. Wpływ zawartości węgla na ilość Asz w stalach węglowych

Rys. 9 Martenzyt z dużą ilością austenitu szczątkowego (jasne obszary).

Pozbyć się go można stosując oziębianie do temperatur znacznie niższych od 0°C.

2. 1. 1. Dobór warunków hartowania

Hartowanie przeprowadza się na gotowych, pod względem kształtu przedmiotach, w których już zainwestowana zastała praca, materiał i energia. Stąd dobór warunków obróbki cieplnej musi być poprzedzony dokładną analizą wielu czynników, gdyż przez niewłaściwe ich ustalenie można nie osiągnąć zamierzonego efektu lub uszkodzić obrabiany przedmiot. Z tych względów należy przede wszystkim określić:

1. Szybkość nagrzewania, która związana jest z przewodnością cieplną a ta ze składem chemicznym stali. Stale stopowe posiadają mniejszą przewodność cieplną od stali węglowych, dlatego nagrzewa się je wolniej. W ten sposób unika się deformacji i zmian
   wymiarowych wywołanych naprężeniami cieplnymi i strukturalnymi. Niezależnie od gatunku stali również wolniej nagrzewa się przedmioty o złożonym kształcie.

2. Temperaturę, do której nagrzewa się przedmiot aby osiągnąć pełną lub częściową austenizację stali.

3. Czas przetrzymywania przedmiotu w określonej temperaturze konieczny do pełnej przemiany fazowej, rozpuszczania węglików i uzyskania jednorodności chemicznej.

4. Szybkość chłodzenia w celu otrzymania struktury martenzytycznej. Wiąże się ona z wartością prędkości krytycznej hartowania i zależnym od niej wyborem ośrodka chłodzącego (np. powietrza, wody, oleju). Praktycznie unika się dużych szybkości chłodzenia jeśli to nie jest konieczne, gdyż podobnie jak w zabiegu nagrzewania w materiale powstają o znacznych wartościach, naprężenia cieplne i strukturalne.

Zakres temperatur, z których hartuje się stale węglowe pokazano na rysunku 10.

Rys. 10. Zakres temperatur hartowania stali węglowych.

Jak istotny wpływ ma temperatura na mikrostrukturę i właściwości prześledzić można na przykładzie stali narzędziowej węglowej N12. Stal ta jak wynika z symbolu, zawiera przeciętnie 1,2% C, jest więc stalą nadeutektoidalną. Wykresy przydatne do tej analizy (rys. 11) przedstawiają twardości martenzytu (krzywa c) i twardości stali zahartowanej z różnych temperatur o różnych zawartościach węgla. Stale nadeutektoidalne hartowane zostały z temperatur powyżej Ac_cm (krzywa a) i powyżej Ac₁ (krzywa b). Z krzywej twardości martenzytu wynika, że wprowadzenie w czasie hartowania do austenitu węgla więcej niż 0,7 -0,8% daje niewielki efekt wzrostu twardości martenzytu. Stal N12 zahartowana z temperatury powyżej Accm (pełna austenizacja) uzyskuje twardość mniejszą niż hartowana z temperatury Ac₁, tj. niepełnej austenizacji. Przyczyną takiego stanu jest większy udział austenitu szczątkowego w mikrostrukturze stali hartowanej z wyższej temperatury, w której cały węgiel znalazł się w roztworze (rys. 8). Przypadek taki przedstawia zdjęcie (rys. 9) mikrostruktury stali N12 zahartowanej z temperatury 1040°C.

Rys 11 Twardość stali w zależności od zawartości węgla i temperatury hartowania;

a - temperatura hartowania powyżej Ac₃ i Ac_cm ; b - temperatura hartowania powyżej Ac₁
(770°C); c - mikrotwardość martenzytu.

Otrzymana w takich warunkach struktura złożona jest z gruboiglastego martenzytu i dużej ilości austenitu szczątkowego. Ta sama stal zahartowana z temperatury powyżej Ac₁ tj. z obszaru niepełnej austenizacji, gdzie obok austenitu zawierającego ok. 0,8% C istnieje cementyt drugorzędowy, ma twardość powyżej 60HRC (krzywa b). Mikrostruktura stali składa się z martenzytu (o znacznie mniejszych igłach), cementytu (korzystne jest aby cementyt był ziarnisty a nie tworzył siatki) i pewnej ilości austenitu szczątkowego. Tak więc hartowanie z temperatury 770°C dało oczekiwany efekt - otrzymano materiał twardy i odporny na ścieranie.

2. 1. 2. Hartowność i przykład jej pomiaru.

Hartowność jest to zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej. Miarą hartowności jest grubość warstwy zahartowanej do głębokości gdzie w mikrostrukturze istnieje 50% martenzytu i 50% struktur innych.

Podczas hartowania przedmiotów o większych przekrojach czy średnicach nie wszystkie warstwy materiału osiągają szybkości chłodzenia większe od krytycznej V_kr jak to pokazano na rys. 12. Konsekwencją tego będzie utworzenie się różnych struktur na przekroju przedmiotu od martenzytu w warstwach przypowierzchniowych do perlitycznych we wnętrzu pręta (rdzeniu) a między nimi istnieć będą struktury mieszane.

Rys. 12. Szybkość chłodzenia w zależności od głębokości warstwy w grubym pręcie
o przekroju okrągłym - a, głębokość warstwy zahartowanej - b.

Przy małych wartościach V_kr warstwa zahartowana będzie grubsza a może zaistnieć i taka sytuacja, że na całym przekroju przedmiot o znacznych wymiarach uzyska strukturę martenzytyczną. Oznacza to, że im mniejsza jest V_kr tym grubsza jest warstwa zahartowana. Cecha ta związana jest z trwałością, przechłodzonego austenitu; im wolniej zachodzi przemiana austenitu w perlit, tym bardziej krzywe na wykresie izotermicznej przemiany austenitu przesunięte są w prawo, tym mniejsza jest krytyczna szybkość hartowania i tym samym większa hartowność stali. Do czynników, które opóźniają przemianę należy przede wszystkim skład chemiczny stali. Wszystkie pierwiastki prócz kobaltu opóźniają przemiany, natomiast cząstki nierozpuszczalne, niejednorodność austenitu, wielkość ziarna austenitu będą ją przyspieszały.

Grubość warstwy zahartowanej określić można na podstawie badań metalograficznych lub prościej, pomiaru twardości. Ponieważ twardość martenzytu praktycznie zależy od zawartości węgla, to również twardość strefy półmartenzytycznej zależna jest od niego co przedstawiono na wykresie (rys. 13a). Korzystając z tego, hartowność stali określa się mierząc twardość na przekroju zahartowanej próbki w kształcie pręta o przekroju okrągłym Otrzymana krzywa „U” zmian twardości wzdłuż średnicy próbki (rys. 13b), przecięta linia oznaczającą twardość warstwy półmartenzytycznej graficznie wyznacza grubość warstwy zahartowanej. Otrzymany wynik odnosi się do określonej stali, średnicy próbki ośrodka chłodzącego. Dla każdego ośrodka chłodzącego-sposobu chłodzenia istnieje pewna największa średnica, tego samego gatunku stali przy której hartuje się ona na całym przekroju. Średnicę tę nazwano średnicą krytyczną.

Rys 13. Twardość strefy półmartenzytycznej w zależności od ilości węgla - a,

rozkład twardości na przekroju zahartowanego pręta.

Znormalizowanym sposobem podanym w PN-79/H-04402, określenia hartowności jest próba hartowania od czoła (próba Jominy'ego). Polega ona na nagrzaniu i wygrzaniu w temperaturze austenityzacji próbki w kształcie walca z kołnierzem i chłodzeniu płaskiej powierzchni (od czoła) strumieniem wody o równomiernym natężeniu wypływu (rys. 14). Następnie wzdłuż tworzącej, po obu stronach próbki od powierzchni czoła dokonuje się pomiaru twardości.

Rys. 14. Schemat chłodzenia próbki podczas badania hartowności metodą
chłodzenia od czoła - a; miejsca pomiaru twardości - b.

Ze średnich pomiaru sporządza się wykres zmian twardości od czoła próbki, na który nanosi się wartość twardości półmartenzytycznej badanej stali. Istnieje możliwość wykorzystania tego wykresu do przewidywania grubości warstwy zahartowanej.

3. ODPUSZCZANIE

Drugą część ulepszania cieplnego stanowi odpuszczanie, jeżeli w wyniku hartowania uzyskano mikrostrukturę złożoną z martenzytu tetragonalnego i pewnej ilości austenitu szczątkowego (w stalach nadeutektoidalnych trzecim składnikiem strukturalnym jest cementyt) Obie te fazy są w nierównowadze (metastabilne) Mimo to są dość trwałe ponieważ procesy dyfuzyjne niezbędne dla powrotu do równowagi nic zachodzą w temperaturach normalnych. Chcąc uruchomić procesy dyfuzyjne należy je zaktywizować cieplnie co w praktyce znaczy podnieść temperaturę obrabianego elementu.

Odpuszczanie, norma cytowana wcześniej określa jako - „grzanie przedmiotu poddanego uprzednio hartowaniu do temperatury niższej od temperatury przemiany alotropowej i następne chłodzenie w celu otrzymania stanu bardziej stabilnego”.

Proces ten można podzielić na stadia, w zależności od temperatury, w których dominują pewne zjawiska. Powodują one zmiany wymiarowe zahartowanej i odpuszczanej próbki stalowej co zostało wykorzystane do ich śledzenia na krzywej dylatometrycznej (rys. 15a). Zakresy temperaturowe poszczególnych stadiów zależne są od składu chemicznego i częściowo różnią się między sobą.

Stadium I, 80°C - 200°C. Dominującym zjawiskiem jest wydzielenie się nadmiaru
węgla z przesyconego roztworu i tworzeniu cienkich płytek metastabilnego węglika ε o wymiarach 0,1 - 1,0 μm, strukturze heksagonalnej i składzie stechiometrycznym w przedziale Fe₂C-Fe_2.4C. Węglik ten jest koherentny z martenzytem. Zjawisko to powoduje zanik tetragonalności martenzytu, parametr sieciowy c→a, (c/a→1). Naprężenia własne ulegają znacznemu obniżeniu co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia wymiarów próbki.

Stadium II, 200°C - 300°C. W stadium tym dalej trwa wydzielanie się węglika ε i zanik tetragonalności sieci martenzytu. W temperaturze 300°C w roztworze pozostaje jeszcze ok. 0,2% C. Zjawiska te powodują dalsze obniżenie naprężeń własnych, naprężeń ściskających austenit szczątkowy, który ulega przemianie na martenzyt lub wg innych poglądów na bainit dolny. Objętość próbki wzrasta co ujawnia krzywa dylatometryczna (rys. 15a). W praktyce uważa się, że w tym stadium z austenitu szczątkowego tworzy się martenzyt regularny tj. pozbawiony tetragonalności nazwany martenzytem odpuszczonym.

Stadium III, 300°C - 400°C. W tym zakresie temperatur dochodzi do całkowitego
zaniku przesycenia martenzytu i tworzenia się ferrytu. Uruchomiona w znacznym stopniu
dyfuzja powoduje zarodkowanie stabilniejszego od fazy ε cementytu. W wyniku tych zmian
tworzy się mieszanina ferrytu i cementytu.

Stadium IV, 400°C - A₁. W ostatnim stadium przemian następuje wzrost i sferoidyzacja bardzo drobnych cząstek cementytu. Powyżej 600°C kulki cementytu powiększają się w wyniku intensywnej koagulacji. Rosną również ziarenka ferrytu. Mieszaninę tych faz tworzącą się do temperatury ok. 680°C nazwano sorbitem (rys. 16). Przemiany strukturalne zachodzące podczas odpuszczania zahartowanej stali powodują zmiany właściwości mechanicznych Przebieg tych zmian pokazano na przykładzie stall 45 (rys. 17). Wynika z niego, że w miarę podwyższania temperatury odpuszczania obniżają się właściwości wytrzymałościowe a wzrastają plastyczne. Tak więc dobierając temperatury odpuszczania można kształtować mikrostrukturę i otrzymywać wymagane właściwości stali odpowiadające projektowym obliczeniom i charakterowi pracy elementu.

Rys 15 Schemat a - krzywej dylatometrycznej odpuszczania zahartowanej stali,
b - przemiany zachodzącej w niej podczas odpuszczania.

Rys. 16. Mikrostruktura sorbitu w stali 55 hartowanej z temp 820°C w wodzie
i odpuszczanej w 650°C.

Na ogół części maszyn, silników i wiele innych, pracują pod obciążeniem zmiennym (niekiedy udarowym). Tylko hartowanie tych części byłoby niewystarczające, gdyż stale o strukturze martenzytycznej, posiadają wprawdzie wysoką wytrzymałość, odporność na ścieranie i twardość, ale są kruche i nie wykazują cech plastycznych. Ulepszanie cieplne pozwala więc na uzyskanie optymalnej mikrostruktury, która niejako „godzi” własności wytrzymałościowe i plastyczne. Daje korzystną wartość inżynierskiego wskaźnika umocnienia Re/Rm (wartość jego osiąga 0,9).

Rys. 17. Wpływ temperatury odpuszczania na właściwości mechaniczne stali 45. (3)

Stalami, do których stosuje się ulepszanie cieplne są: stale węglowe wyższej jakości zawierające od 0,25% do 0,6%C (stale średniowęglowe) i przeważnie stale niskostopowe, których łączna zawartość pierwiastków stopowych nie przekracza zwykle 3,5%.

4. PYTANIA KONTROLNTE

1. Podać definicję obróbki cieplnej.

2. Podać definicję hartowania.

3. Co to jest martenzyt?

4. Co to jest austenit szczątkowy?

5. Czym różni się przemiana martenzytyczna od przemiany perlitycznej?

6. Co to jest krytyczna prędkość hartowania?

7. Od czego zależy wartość krytycznej prędkości hartowania?

8. Narysować komórki elementarne sieci krystalicznej martenzytu.

9. Od czego zależy ilość austenitu szczątkowego w mikrostrukturze stali zahartowanej?
10. Określić wartość temperatury z której hartuje się stal 40.

11. Określić wartość temperatury z której hartuje się stal N12.

12. Na wycinku wykresu Fe-Fe₃C zaznaczyć zakres temperatur, z których hartujemy stale
pod i nadeutektoidalne.

13. Dlaczego hartujemy stale?

14. Z jakich faz składa się mikrostruktura stali zahartowanej?

15. Jak wpływają pierwiastki stopowe na położenie krzywych „C”?

16. Narysować krzywe „C” dla stali podeutektoidalnej i zaznaczyć na nich prędkość chłodzenia, przy których uzyskujemy perlit drobny, bainit górny i martenzyt.

17. Narysować krzywe „C” dla stali eutektoidalnej i zaznaczyć na nich prędkość, przy
których otrzymujemy perlit gruby, bainit dolny i martenzyt

18 Narysować krzywe „C” dla stali nadeutektoidalnej i zaznaczyć na nich prędkość
krytyczną hartowania i prędkości przy których uzyskujemy perlit drobny i martenzyt.

19. Co to jest sorbit?

20. Co to jest bainit?

21. Co to jest hartowność i od czego ona zależy?

22. Jak mierzy się hartowność?

23. Jakie stale pod względem zawartości węgla poddaje się hartowaniu?

24. Jak zmniejsza się udział austenitu szczątkowego w mikrostrukturze stali zahartowanej?
25. Co znaczy pojęcie martenzyt odpuszczony?

26. W jakim celu przeprowadza się odpuszczanie stali zahartowanej?

5. LEKTURA

1. K. Wesołowski - „Metaloznawstwo i obróbka cieplna”, wyd. WNT 1972 Warszawa.

2. R. Haimann - „Metaloznawstwo”, wyd. Politechnika Wrocławska 1974.

3. St. Prowans - „Struktura stopów”, wyd. PWN 1991 Warszawa.

4. L. Dobrzański - „Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali”, wyd. Politechnika Śląska, Gliwice 1995.

5. K. Przybyłowicz - „Metaloznawstwo”, WNT Warszawa 1996.

---