Sprawozdanie z laboratorium
AGH	Imię i nazwisko:	Rok akademicki: 2008/2009	Wydział:
Kierunek:			Rok studiów: pierwszy	Semestr: II (letni)
Temat ćwiczenia: Obróbka cieplna i hartowność stali		Nr ćwiczenia:
Nazwisko prowadzącego:

1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1. Wstęp

1.1 OBRÓBKA CIEPLNA jest dziedziną technologii obejmującą zespół zabiegów wywołujących polepszenie właściwości mechanicznych i fizyko-chemicznych metali i stopów, powodowane zmianami struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania środowiska.

Rys. 1. Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej.

Każdy proces obróbki cieplnej składa się z operacji i zabiegów. Operacja obróbki cieplnej jest to część procesu technologicznego (np. hartowanie, wyżarzanie) wykonywana w sposób ciągły, przeważnie na jednym stanowisku roboczym, natomiast zabiegiem nazywamy część operacji (np. nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie).

Rys. 2. Schemat operacji obróbki cieplnej.

Podstawowymi parametrami, które decydują o przemianach fazowych są: szybkość nagrzewania, temperatura wygrzewania, czas nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia oraz szybkość chłodzenia w zależności od temperatury wygrzewania. Nagrzewanie i chłodzenie materiału może przebiegać w sposób ciągły lub stopniowy.

2. Procesy obróbki cieplnej

2.1 WYŻARZANIE - są to zabiegi cieplne, których celem jest uzyskanie struktury w obrabianym materiale zbliżonej do stanu równowagi termodynamicznej. Wyżarzanie polega na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z odpowiednią szybkością.

1. Procesy wyżarzania bez przemiany alotropowej:

Wyżarzanie rekrystalizujące

Wyżarzanie odprężające

Wyżarzanie stabilizujące.

2. Proces wyżarzania z przemianą alotropową:

Wyżarzanie ujednorodniające

Wyżarzanie normalizujące

Wyżarzanie zupełne

Wyżarzanie izotermiczne Wyżarzanie sferoidyzujące

Rys. 3. Zakres temperatur wyżarzania stali

2.2 HARTOWANIE polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, krótkim wygrzaniu w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością umożliwiającą uzyskanie struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Podczas hartowania stali niestopowych oraz stali niskostopowych materiał nagrzewamy do temperatury 30-50°C powyżej linii GSK. (Natomiast stale wysokostopowe (nierdzewne, szybkotnące) nagrzewamy do temperatur znacznie wyższych (1100-1200°C) w celu rozpuszczenia się w austenicie węglików i maksymalnego nasycenia roztworu stałego pierwiastkami stopowymi. Wyróżniamy następujące rodzaje hartowania:

Hartowanie objętościowe

Hartowanie powierzchniowe

Hartowanie martenzytyczne

Hartowanie bainityczne (izotermiczne)

Hartowanie ciągłe

Hartowanie stopniowe

Rys. 4. Krzywe chłodzenia podczas hartowania: a) ciągłego, b) stopniowego, c) izotermicznego.

Hartowność stali jest to zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej. Właściwość ta jest ściśle związana z krytyczną szybkością chłodzenia stali; im większa jest wymagana szybkość chłodzenia tym hartowność mniejsza.

2.3 ODPUSZCZANIE polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od A_c1,wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu do temperatury pokojowej. W zależności od temperatury, w której prowadzony jest proces, rozróżnia się odpuszczanie:

• niskie 100-250°C (stosowane jest głównie do stali narzędziowych, łożyskowych oraz hartowanych powierzchniowo),

• średnie 250-500°C (jest stosowane w celu nadania obrabianym elementom wysokiej granicy sprężystości przy zachowanej dużej wytrzymałości i równoczesnym polepszeniu ich właściwości plastycznych),

• wysokie 500°C - A_c1 (stosowane jest głównie do stali konstrukcyjnych w celu otrzymania najbardziej korzystnych właściwości wytrzymałościowych i plastycznych).

1. Przemiany fazowe podczas obróbki cieplnej

3.1. PRZEMIANA AUSTENITYCZNA

Podczas nagrzewania stali, powyżej temperatury A_c1, rozpoczyna się przemiana perlitu w austenit, nazywana przemianą austenityczną. W stalach podeutektoidalnych po przekroczeniu temperatury A_c3 rozpoczyna się przemiana ferrytu w austenit, a w stalach nadeutektoidalnych po osiągnięciu temperatury A_ccm- proces rozkładu cementytu.

Przemiana austenityczna rozpoczyna się zarodkowaniem austenitu na granicach międzyfazowych ferryt - cementyt i ma charakter dyfuzyjny. Szybkość zachodzenia przemiany austenitycznej zależy głównie od stopnia przegrzania perlitu (ferrytu) powyżej temperatury A_c1, (A_c3) przy grzaniu izotermicznym lub od szybkości nagrzewania przy grzaniu ciągłym oraz od ogólnej powierzchni granic międzyfazowych ferryt-cementyt.

3.2 PRZEMIANA PODCZAS CHŁODZENIA

Austenit jest fazą trwałą tylko w pewnym zakresie temperatur i po ochłodzeniu poniżej temperatury A_r, ulega przemianie perlitycznej, bainitycznej lub martenzytycznej. Dane dotyczące zależności struktury i właściwości stali od temperatury i czasu przemiany przechłodzonego austenitu zawierają wykresy CTP (czas - temperatura - przemiana). W zależności od sposobu chłodzenia dla różnych gatunków stali są opracowywane wykresy:

Rys. 3. Wykresy CTPi (a) i CTPc (b) dla niestopowej stali podeutektoidalnej.

3.2.1. Przemiana perlityczna

Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu do zakresu temperatur pomiędzy temperaturą A_r1, a temperaturą minimalnej trwałości austenitu 500-550°C. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną.

3.2.2. Przemiana bainityczna

Przemiana bainityczna zachodzi w stalach pomiędzy temperaturą najmniejszej trwałości austenitu a temperaturą początku przemiany martenzytycznej. Podczas chłodzenia izotermicznego w zależności od temperatury przemiany rozróżnia się bainit górny, tworzący się w zakresie temperatury poniżej minimalnej trwałości austenitu a temperaturą 350-400°C oraz bainit dolny powstający w temperaturze pomiędzy 350-400°C a temperaturą początku przemiany martenzytycznej. Przemiana ta jest przemianą bezdyfuzyjną.

3.2.3. Przemiana martenzytyczna

Przemiana martenzytyczna(nazywana przemianą bezdyfuzyjną lub ścinającą) zachodzi w stalach po przechłodzeniu austenitu poniżej temperatury M_s (ang. martensite start) z prędkością równą lub większą od prędkości krytycznej. W wyniku powyższej przemiany powstaje martenzyt tj. przesycony roztwór węgla w żelazie α.

Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się po przekroczeniu temperatury M_s i zachodzi z bardzo dużą prędkością 1000-7000 m/s.

3.3. PRZEMIANA PODCZAS ODPUSZCZANIA

Podczas wygrzewania w temperaturze niższej od A₁ stali uprzednio zahartowanej zachodzą następujące przemiany:

• rozkład martenzytu,

• przemiana austenitu szczątkowego w fazę α,

• wydzielanie węglika i cementytu w stalach węglowych oraz innych węglików w stalach stopowych,

• koagulacja węglików wydzielonych we wcześniejszych stadiach odpuszczania.

II CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zbadanie wpływu obróbki cieplnej na twardość stali konstrukcyjnej niestopowej C45.

2. Wykonanie ćwiczenia:

Materiał do wykonania ćwiczenia to 5 próbek stali C45.

Początkowo mierzymy twardość próbek w stanie, w którym zostały dostarczone ( 3 pomiary dla każdej z próbek), wyniki zapisujemy.

Następnie hartujemy próbki. Każdą wsadzamy na 15 minut do pieca, o określonej temperaturze. Dla próbki 1 temperatura wynosi 650°C, dla próbki 2 - 750°C, a dla próbek 3,4 i 5 - 850°C.

Kolejnym etapem jest szybkie chłodzenie każdej z próbek oraz zmierzenie twardości (ponownie 3 pomiary dla każdej z próbek) po zahartowaniu. Przemiany fazowe występujące po hartowaniu przedstawiają się następująco dla każdej z próbek:

1. 
   
   α + perlit (650 °C) α + perlit (woda) bez zmian

2. 
   
   α + perlit (750 °C ) γ + α (woda) martenzyt + α

3. 
   
   α + perlit (850 °C) γ (woda) martenzyt

4. 
   
   α + perlit (850 °C ) γ (woda) martenzyt

5. 
   
   α + perlit (850 °C ) γ (woda) martenzyt

Do ostatniego etapu ćwiczenia (odpuszczanie) używamy próbek 3,4 oraz 5. Kolejny raz wsadzamy je do pieca na 20 minut. Dla próbki nr.3 Temperatura dla próbki 3 to 300°C, dla próbki 4 - 500°C, a dla próbki 5 - 650°C.

Po schłodzeniu próbek w wodzie wykonujemy pomiary ich twardości (po 3 pomiary dla każdej próbki). Wyniki zapisujemy w tabeli, obliczając następnie średnią z każdych 3 pomiarów dla danej próbki.

3. Wnioski:

Wykresy przedstawione w dalszej części sprawozdania ilustrują zmiany twardości próbek.

Wykres 1.

Wykres ten pokazuje zmianę twardości poszczególnych próbek po hartowaniu. Odczytujemy z niego, że pomiędzy próbką 1, która wyżarzała się w piecu w temperaturze 650°C a próbką 2, która wyżarzała się w temperaturze 750°C, nastąpiła znaczna zmiana twardości HB. Między próbką 2, a próbkami 3, 4 i 5 aż tak dużej zmiany już nie obserwujemy. Wnioskować można więc, że próbka 1 wyżarzała się poniżej temperatury Ac3.

Wykres 2.

Wykres ten ilustruje zależność twardości HB stali zahartowanej od temperatury odpuszczania. Odczytujemy z niego zmiany twardości próbek stali wcześniej zahartowanej, w temperaturach odpuszczania wynoszących odpowiednio: dla próbki 3 - 300°C, dla próbki 4 -500°C, a dla próbki 5 - 650°C. Po odpuszczeniu próbek ich twardość spadła. Próbka 3 utraciła około 10,8% swojej twardości, próbka 4 około 43,3%, a próbka 5 aż 56,2%. Wnioskujemy więc, że twardość badanego materiału w procesie odpuszczania spada ze wzrostem temperatury.

1

---