Własności wytrzymałościowe i technologiczne stali są związane z jej mikrostrukturą zależną w zasadniczy sposób od obróbki cieplnej tj. od różnorodnych zabiegów cieplnych, którym stal podlegała. Wykorzystując fizykochemiczne zjawiska występujące przy ogrzewaniu i oziębianiu stali można doprowadzić do wytworzenia się w niej najbardziej pożądanych składników strukturalnych, nadających jej określone własności. Cykl zmian temperatury rozpoczynający się w temperaturze otoczenia nazywa się zabiegiem cieplnym. W najprostszym przypadku składa się on z okresów: wygrzewania oraz chłodzenia, co można przedstawić na poniższym schemacie.

Temp.

czas

Zabiegi cieplne mogą się różnić się między sobą szybkością nagrzewania i chłodzenia oraz wysokością temperatury wygrzewania i czasem jej trwania. Do zabiegów cieplnych zaliczamy:

• hartowanie,

• odpuszczanie,

• wyżarzanie.

Temp.

czas

ODPUSZCZANIE.

Odpuszczanie jest obróbką cieplną, którą stosuje się do stali uprzednio zahartowanej. Stal podawaną odpuszczaniu wygrzewa się w temperaturze niższej od temperatury przemiany eutektoidalnej i chłodzi na wolnym powietrzu do temperatury otoczenia. Podczas odpuszczania zasadniczy składnik strukturalny zahartowanej stali węglowej - martenzyt rozpada się przez wydzielenie dyspersyjnych ziarenek cementytu i powstają takie struktury jak troostyt odpuszczania oraz sorbit odpuszczania. W zależności od stosowanej temperatury wygrzewania stali wyróżnia się trzy rodzaje odpuszczania:

• odpuszczanie wysokie,

• odpuszczanie średnie,

• odpuszczanie niskie.

Odpuszczanie wysokie

Przeprowadza się w temperaturach powyżej 500^oC do A_C1 w celu niemal całkowitego usunięcie naprężeń hartowniczych oraz uzyskania możliwie najwyższej udarności dla danej stali przy jednoczesnym zwiększeniu stosunku R_e do R_m. Zahartowana stal odpuszczona wysoko uzyskuje strukturę sorbitu odpuszczania, czyli drobnego i równomiernie rozłożonego cementytu w osnowie perlitu. Odpuszczanie wysokie stosuje się głównie do większości stali konstrukcyjnych.

Odpuszczanie średnie

Przeprowadza się w zakresie temperatur 250 - 500^oC w celu nadania stali zahartowanej dużej wytrzymałości i sprężystości przy dostatecznej odporności na uderzenia. Struktura martenzytyczna przechodzi wówczas w troostyt odpuszczania, czyli drobnoziarnistą mieszaninę cementytu i ferrytu. Powoduje to znaczny spadek twardości stali.

Odpuszczanie niskie stosuje się głównie takich elementów jak: sprężyny, resory, matryce itp.

Odpuszczanie niskie

Przeprowadza się w zakresie temperatur 150 - 250^oC w celu usunięcia ostrych naprężeń hartowniczych, a zmiany strukturalne zachodzące w stali odpuszczanej nisko są niewielkie w stosunku do struktury uzyskanej przez zahartowanie. Pozwala to na zachowanie dużej twardości i odporności na ścieranie.

Odpuszczanie niskie stosuje się głównie dla stali narzędziowych.

Kruchość odpuszczania

Temperatura odpuszczania i szybkość chłodzenia mają znaczny wpływ na udarność stali. W przypadku powolnego chłodzenia stali po odpuszczaniu krzywa charakteryzująca jej udarność ma dwa minima w 300^oC i około 600^oC. Jest to tzw. zjawisko kruchości odpuszczania pierwszego i drugiego rodzaju.

udarność

300 600 ^oC

Rys. Wpływ temperatury odpuszczania na udarność stali.

	Rm
			Z
			HB
		Re
A

Rys. Wpływ temperatury na własności stali.

Kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju

Powstaje podczas odpuszczania w temperaturze około 300^oC niezależnie od składu chemicznego stali i szybkości chłodzenia po odpuszczaniu.

Kruchość odpuszczania drugiego rodzaju

Ujawnia się po odpuszczaniu w temperaturze powyżej 500^oC dla powolnego chłodzenia. Natomiast gdy szybkość chłodzenia po odpuszczaniu jest duża udarność stali wzrasta monotonicznie z podwyższaniem temperatury odpuszczania. Wzrost szybkości chłodzenia po odpuszczaniu powoduje przesunięcie progu kruchości w kierunku niższych temperatur. Skłonność do kruchości drugiego rodzaju wykazują niektóre konstrukcyjne stale stopowe: np. chromowo-manganowe i chromowo-niklowe, natomiast nie są do niej skłonne np. stale węglowe i stale stopowe z dodatkiem Mo.

WYŻARZANIE

Wyżarzanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzewaniu materiału do wymaganej temperatury, wygrzewanie w tej temperaturze i następnie studzenie z małą szybkością. Celem wyżarzania jest osiągnięcie odpowiednich własności materiału.

Wyżarzanie ujednoradniające

Inaczej nazywane homogenizacją lub wyżarzaniem dyfuzyjnym. Polega na nagrzaniu stali do temperatury w zakresie 1100^oC do 1300^oC. Zabieg ten przeprowadza się zwykle na wlewkach ze stali stopowej lub odlewach staliwnych. Celem ujednorodnienia jest usunięcie niejednorodności chemicznej ziaren i częściowo wydzieleń na ich granicach.

Proces ujednorodnienia struktury stali odbywa się przeważnie w temperaturze od 1100^oC do 1300^oC w czasie 12 do 15 godzin, a powolne studzenie przeprowadza się do temperatury około 250^oC.

Obróbkę tę stosuje się tylko do stopów, które krzepną jako niejednorodne roztwory stałe.

Wyżarzanie normalizujące

Nazywane inaczej normalizowaniem. Polega na nagrzaniu staliwa lub stali do temperatury 50^oC powyżej przemiany A₃ lub A_cm, wygraniu aż do osiągnięcia roztworu węgla w żelazie γ i powolnym studzeniu. Normalizowanie przeprowadza się w celu usunięcia naprężeń własnych oraz otrzymania jednorodnej i rozdrobnionej struktury, która polepsza własności wytrzymałościowe stali i jej przydatność do obróbki skrawaniem.

Wyżarzanie zupełne

Jest odmianą normalizowania z zachowaniem tych samych parametrów obróbki z tą jednak różnicą, że studzenie stali jest powolniejsze i odbywa się w piecu lub w popiele.

Wyżarzanie zupełne umożliwia uzyskanie struktury zbliżonej do stanu równowagi, a więc otrzymuje się stale zmiękczone.

Temp.

0,2 0,4 0,6 %C 0,8 1,0 1,2 1,4

Rys. Temperatury wyżarzania stali węglowych.

Wyżarzanie sferoidyzujące

Sferoidyzowanie inaczej wyżarzanie zmiękczające lub Wyżarzanie na cementyt kulkowy. Polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do A_C1, wygrzaniu w niej i wolnym chłodzeniu. W efekcie otrzymujemy strukturę cementytu kulkowego na tle ferrytu.

Temperatura wyżarzania sferoidyzującego stali węglowych jest zmienna i wzrasta wraz zawartością węgla w stali. Uzyskana struktura zależy od rodzaju stali, temperatury, czasu wygrzewania i skłonności stali do grubo- lub drobnoziarnistości.

Wyżarzanie rekrystalizujące

Przeprowadza się dla materiałów poddanych obróbce plastycznej na zimno, czyli poniżej temperatury rekrystalizacji. Temperatura rekrystalizacji zależy od zawartości węgla w stali. Celem wyżarzania rekrystalizującego jest odbudowa pierwotnej struktury materiału zmienionej pod wpływem zgniotu.

Rekrystalizację przeprowadza się w dwóch etapach. Najpierw przy niskich temperaturach przebiega proces zdrowienia, którego szybkość maleje z czasem. Podczas zdrowienia w materiale zachodzi spadek naprężeń, własności mechaniczne ulegają niewielkim zmianom, a struktura pozostaje bez zmian.

Drugim etapem jest rekrystalizacja, która zachodzi pod wpływem wyższych temperatur. Następuje wówczas zmiana struktury i powstają nowe zarodki wolnych od defektów ziaren, które się rozrastają.

Wyżarzanie odprężające

Przeprowadza się w celu usunięcia naprężeń wewnętrznych bez zmiany jego budowy strukturalnej. Usuwa się naprężenia występujące w spoinach, odlewach, w częściach zahartowanych lub poddanych odkształceniu plastycznemu na zimno. Naprężenia te mogą niekiedy być bliskie wartościom naprężeń niszczących, które są bardzo niekorzystne.

Wyżarzanie odprężające polega na nagrzaniu materiału do odpowiedniej temperatury (materiały umocnione zgniotem do temperatury niższej od temp. rekrystalizacji), wygrzaniu w tej temperaturze przez kilka godzin i powolnym chłodzeniu.

Temperatura i czas wygrzewania zależy od rodzaju materiału, jego stanu oraz od przyczyn wywołujących naprężenia.

Zwykle czas wygrzewania wynosi kilka godzin i skraca się wraz ze wzrostem temperatury.

Wyżarzanie stabilizujące

Inaczej zwane stabilizowaniem lub sezonowaniem. Jest to zabieg cieplny, polegający na wygrzewaniu przedmiotów stalowych w temperaturze nie przekraczającej zwykle 150^oC.

Celem wygrzewania stabilizującego jest zapewnienie niezmienności wymiarów przedmiotu oraz zmniejszenie naprężeń wewnętrznych. Często sezonowanie stosuje się dla materiałów wykorzystywanych na sprawdziany i dla odlewów żeliwnych.

Wady wyżarzania

Podczas wyżarzania w wysokich temperaturach może nastąpić wzrost ziarna tzw. przegrzanie stali, otrzymamy wtedy przy wolnym chłodzeniu gruby perlit o słabej udarności i plastyczności. Również wygrzewanie stali w wysokich temperaturach może doprowadzić do innego niepożądanego zjawiska - przepalenia. Na granicach ziaren austenitu powstają wówczas tlenki żelaza.

Przepalenie stali wiąże się z jej zniszczeniem i zamienieniem w złom. Stal przepalona jest bardzo krucha, a ponowna obróbka cieplna nie usunie skutków przepalenia.

Przebieg ćwiczenia

• Mierzymy twardość wcześniej zahartowanych próbek na twardościomierzu Rockwella.

• Wygrzewamy próbki w piecu przez wyznaczony okres czasu.

• Po wyjęciu z pieca chłodzimy je w powietrzu.

• Mierzymy twardość wyżarzonych próbek, a wyniki umieszczamy w tabeli porównawczej

Tabela porównawcza pomiarów twardości

	Woda		Olej
	HRC	HV	HRC	HV
45	40	392	26	272
65	38	372	40	392
N11E	34	336	31	310

WODA

OLEJ

2

300 400 500 600

chłodzenie

nagrzewanie

wygrzewanie

niezupełne

nisko odprężające

ujednoradnianie

zupełne

Chłodzenie szybkie

Wygrzewanie

nagrzewanie

chłodzenie

wyżarzanie

nagrzewanie

Rm

Re

120

100

80

60

40

0

500

400

300

200

100

0

WODA

OLEJ

A

Z

62,5

50

37,5

25

12,5

0

Temperatura odpuszczania

Kg/mm2

Hartow.

Wyżarz.

1100

1000

900

800

700

600

---