Obróbka cieplna stopów \
elaza
Zgodnie z PN-93/N-01200  Obróbka cieplna metali i stopów. Terminologia mo\
emy
uwzględnić następujący podział procesów technologicznych (rys. 1).
Obróbka cieplna mo\
e być realizowana w procesie kształcenia półwyrobów hutniczych i
wówczas jest określana jako  obróbka cieplna wstępna , albo w procesie wykonywania
gotowych części maszyn i wtedy określana jest jako  obróbka cieplna ostateczna .
Obróbka cieplna
Obróbka Obróbka
Obróbka Obróbka
cieplna cieplno- cieplno- cieplno-
zwykła chemiczna
plastyczna magnetyczna
Rys. 1. Odmiany obróbki cieplnej
Obróbka cieplna zwykle jest to proces technologiczny, w wyniku którego uzyskuje się
zmiany właściwości metali i stopów będące funkcją temperatury
i czasu [13].
Do podstawowych przemian zachodzących podczas obróbki cieplnej nale\
Ä…:
Przemiana eutektoidalna
Przemiana izotermiczna
Badania nad rozpadem austenitu przy stałej temperaturze po raz pierwszy przeprowadził
Davenport i Bain w 1930 r. W wyniku tych badań otrzymano wykres izotermicznej
przemiany austenitu, nazywany wykresem CTP (czas, temperatura, przemiana) lub krzywych
C. Typowy wykres CTP dla stali eutektoidalnej podano na rys. 2. Wykres ten powstaje z
badań prowadzonych na małych, cienkich próbkach. Próbkę nagrzewa się do zakresu
austenitu i tak długo przetrzymuje, aby nastąpiło rozpuszczenie się węglików i przejście
węgla do roztworu. Następnie próbkę przenosi się bardzo szybko do kąpieli solnej o
temperaturze poni\
ej A1, w której przetrzymywana jest przez określony czas. Po tym czasie
próbkę chłodzi się gwałtownie w zimnej wodzie do temperatury pokojowej. Po
wypolerowaniu i wytrawieniu zgładu próbki, na podstawie obserwacji przy u\
yciu
mikroskopu świetlnego określa się zmiany zaszłe w strukturze. Próby powtarza się
wielokrotnie zmieniając temperaturę kąpieli solnej i czas przetrzymywania w niej próbki.
Rys. 2. Wykres izotermicznej przemiany austenitu dla stali eutektoidalnej
Na wykresie, krzywa z lewej strony oznacza poczÄ…tek przemiany. Wskazuje ona czas  zale\
nie od
stopnia przechłodzenia  w ciągu którego przemiana jeszcze się nie zaczęła (tzw. okres inkubacji,
czyli czas przygotowywania siÄ™ do przemiany). Ten okres inkubacji w danej temperaturze wyra\
a
odcinek między osią rzędnych a krzywą. Druga krzywa, z prawej strony, wskazuje czas potrzebny do
całkowitej przemiany austenitu w strukturę perlityczną w danej temperaturze.
Tworzenie siÄ™ perlitu polega na jednoczesnym powstawaniu ferrytu (Ä…) i cementytu (Fe3C).
Przemiana zaczyna się przy granicach ziaren austenitu. Płytki obu faz rosną ku wnętrzu
ziarna. Zachodzi przy tym segregacja węgla, jak to pokazano na rys. 3. Węgiel dyfunduje z
eutektoidalnego austenitu o zawartości 0,8% C do tworzącego się cementytu o zawartości
6,67% C. Zarodki płytek cementytu powstają z lokalnych koncentracji atomów węgla w
austenicie. Dyfuzja węgla powoduje rozrastanie się płytki. Otaczająca płytkę osnowa
austeniczna ubo\
eje w węgiel, co umo\
liwia zajście przemiany alotropowej sieci A1 w A2 i
powstaje ferryt. Tak więc, w przemianie eutektoidalnej austenitu w perlit zachodzi przemiana
alotropowa i dyfuzja atomów węgla.
Przy niewielkim stopniu przechłodzenia austenitu, tzn. nieco poni\
ej temperatury
eutektoidalnej A1 (723°C) przemiana trwa bardzo dÅ‚ugo, wÄ™giel mo\
e dyfundować na większe
odległości i powstaje perlit gruboziarnisty (grube płytki cementytu i ferrytu). Obni\
enie
temperatury przemiany skraca czas przemiany, dyfuzja węgla zachodzi na mniejszych
odległościach, powstaje więcej (i cieńszych) płytek. Jest to perlit drobnoziarnisty, którego
płytki ferrytu i cementytu dają się rozró\
nić tylko przy u\
yciu mikroskopu elektronowego
skaningowego. Tak więc zarówno perlit gruboziarnisty jak i drobnoziarnisty są strukturami
tego samego typu, składającymi się z ferrytu i cementytu ró\
niÄ…cymi siÄ™ tylko stopniem
dyspersji obu tych faz.
Poni\
ej przegięcia krzywych C, ale powy\
ej temperatury Ms (jak widać z rys. 2 przegięcie
krzywych C odpowiada temperaturze ok. 550°C), czas przemiany znowu siÄ™ wydÅ‚u\
a, a
produktem przemiany jest struktura zwana bainitem (od nazwiska uczonego Baina).
Rozró\
nia się bainit górny, powstały w wy\
szej temperaturze, nieco poni\
ej przegięcia
krzywych C oraz bainit dolny, powstały w ni\
szej temperaturze, bli\
szej temperaturze Ms.
Bainit jest równie\
mieszaninÄ… ferrytu i cementytu jak perlit, ale mechanizm jego tworzenia
jest inny.
Rys. 3. Powstawanie perlitu
Przypuszcza siÄ™, \
e najpierw tworzą się płytki ferrytu, a dopiero póz
niej wydziela siÄ™ w nich
cementyt. Czynnikiem kontrolującym przemianę eutektoidalną jest tu szybkość dyfuzji
atomów \
elaza z austenitu, konieczna do utworzenia płytek ferrytu, podczas gdy czynnikiem
kontrolującym szybkość reakcji perlitycznej jest dyfuzja atomów węgla doprowadzająca do
wydzielenia się płytek cementytu, a dopiero w zubo\
ałych w węgiel, otaczających ją
obszarach austenitu, powstaje ferryt. Bainit tworzy płytki lub igły, które zachowują swój
kształt po zakończeniu przemiany.
Powy\
ej omawiano przemianę eutektoidalną na przykładzie stali eutektoidalnej (0,8% C),
kiedy nie zachodzi wcześniejsze wydzielanie się ferrytu (lub cementytu) z austenitu, przed
jego przemianÄ… w perlit (Ä… + Fe3C). Na rys. 4a przedstawiono wykres CTP dla stali
podeutektoidalnej o zawartości 0,45% C. W stali tej podczas chłodzenia austenitu przed
przemianą eutektoidalną wydziela się najpierw ferryt, co wynika z wykresu równowagi Fe
Fe3C zamieszczonego na rys. 4b. Nale\
y równie\
zaznaczyć, i\
w stali tej przemiana austenitu
w perlit zaczyna się wcześniej (krzywe C przesunięte w lewo) w porównaniu do czasu
potrzebnego do rozpoczęcia przemiany w stali eutektoidalnej. Wynika to z faktu, \
e im
większa zawartość węgla w stali, tym przemiana austenitu w perlit zaczyna się póz
niej;
krzywe C przemieszczają się w prawo wraz ze wzrostem zawartości węgla. Natomiast
obni\
enie zawartości węgla w stali przyspiesza przemianę  krzywe C przemieszczają się w
lewo.
a) b)
Rys. 4. a  wykres izotermicznej przemiany austenitu dla stali podeutektoidalnej (0,45% C),
b  fragment wykresu Fe Fe3C
Opóz
nienie przemiany powodują równie\
dodatki stopowe do stali. Poniewa\
prawie
wszystkie pierwiastki stopowe stali takie, jak: Cr, Ni, Si, Mn, Mo, Ti, W, V itd. wolniej
dyfundujÄ… w \
elazie ni\
węgiel, to krzywe C dla stali stopowych przesunięte są w prawo.
Równie\
wielkość ziarna austenitu ma wpływ na przemianę perlityczną. Wynika to z faktu, o
którym ju\
wcześniej wspomniano, i\
ferryt i cementyt zaczynają się tworzyć przy granicach
ziaren austenitu. W stali o drobniejszym ziarnie austenitu jest więcej granic ziaren na
jednostkę objętości, stąd występuje większa ilość mo\
liwych zarodków ferrytu i cementytu
ni\
w stali gruboziarnistej. Dlatego te\
stale o drobnym ziarnie austenitu majÄ… krzywe C
przesunięte w lewo, a stale o grubym ziarnie austenitu  w prawo. Wpływ wielkości ziarna
austenitu na przemianÄ™ jest jednak mniejszy ni\
wpływ związany z zawartością węgla, czy
dodatków stopowych w stali.
Przemiana przy chłodzeniu ciągłym
Wykresy izotermicznych przemian austenitu sÄ… wygodne do interpretacji, gdy\
przemiana
austenitu odbywa się w stałej temperaturze, a zmienny jest tylko czas. W praktyce najczęściej
napotyka się na chłodzenie ciągłe: nagrzane elementy stalowe po wyjęciu z pieca są
chłodzone w powietrzu lub w wodzie.
W \
adnym z tych sposobów chłodzenia nie ma stałej temperatury w czasie powstawania
struktury (Ä… + Fe3C).
W celu dokładniejszego poznania przemian zachodzących przy temperaturach zmieniających
się w sposób ciągły, opracowuje się wykresy CTP dla chłodzenia ciągłego stali. Aby
sporządzić taki wykres, chłodzi się nagrzane do zakresu austenitu próbki stali z ró\
nymi
szybkościami. Dla ka\
dej z nich określa się temperatury początku i końca przemiany. W
układzie współrzędnych czas  temperatura wykreśla się krzywe chłodzenia, zaznacza na nich
temperatury przemian (początku i końca) i łączy punkty wyznaczające zakresy temperatur
odnoszące się do przemiany tego samego typu, przy ró\
nych szybkościach chłodzenia. Czas
rozpoczęcia przemiany przy chłodzeniu ciągłym jest większy
i temperatura przemiany jest ni\
sza ni\
w przypadku przemiany izotermicznej, gdy\
ta
ostatnia w dłu\
szym czasie zachodzi w wy\
szej temperaturze, gdzie przebiega bardzo powoli.
Tak więc krzywe C przemiany izotermicznej austenitu są przesunięte ku dołowi i w prawo dla
przemiany przy ciągłym chłodzeniu
(rys. 5).
Rys. 5. Wykres przemiany austenitu przy chłodzeniu ciągłym stali eutektoidalnej; VM  minimalna szybkość chłodzenia do
otrzymania 100% martenzytu, Vp  maksymalna szybkość chłodzenia do otrzymania 100% perlitu
Na wykresie przemiany austenitu przy chłodzeniu ciągłym są dwie wa\
ne krytyczne
szybkości chłodzenia. Pierwsza, to szybkość chłodzenia VM, przy której oraz szybkościach
większych od niej powstaje martenzyt. Druga, to szybkość Vp, przy której oraz szybkościach
mniejszych od niej powstaje tylko perlit. Przy pośrednich szybkościach chłodzenia między VM
i Vp powstaje martenzyt i bardzo drobny perlit. Krytyczne szybkości zale\
ą od zawartości
węgla i pierwiastków stopowych w stali i maleją ze wzrostem tych składników.
Przemiana martenzytyczna
Przy powolnym chłodzeniu austenit rozkłada się na ferryt i cementyt (ą + Fe3C), kiedy to jest
czas na dyfuzję i koncentrację węgla, dzięki czemu powstaje cementyt, a opuszczone przez
węgiel obszary austenitu zamieniają się na ferryt. Je\
eli austenit zostanie gwałtownie
przechłodzony (z szybkością co najmniej VM), to powstanie metastabilna (nietrwała) faza
zwana martenzytem (od nazwiska niemieckiego uczonego Martensa), która zawsze będzie
miała tendencję do rozpadu na równowagowe fazy: ferryt i cementyt, co mo\
na przyspieszyć
przez podgrzewanie (odpuszczanie). Tak więc, ró\
ne drogi prowadzÄ… do struktury
perlitycznej, bezpośrednia z austenitu i pośrednia z przejściowej fazy martenzytycznej, co
mo\
na następująco przedstawić:
Wolne
Austenit (rśc) Ferryt (rpc) + cementyt
chłodzenie
Chłodzenie
Odpuszczanie
szybkie
Martenzyt (tpc)
Podczas chłodzenia austenitu z szybkością równą i większą od VM, przemiany równowagowe
są zahamowane, nie ma dyfuzji węgla, a zachodzi jedynie gwałtowna zamiana sieci rśc
austenitu w sieć tetragonalną przestrzennie centrowaną (tpc) martenzytu na drodze
mechanizmu ścinania. Tworzące się zarodki martenzytu rosną z szybkością dz
więku w
metalach, dopóki nie natrafią na przeszkodę. W stalach niskowęglowych tworzący się
martenzyt ma formę płytek (tzw. martenzyt listwowy), a w stalach o wy\
szej zawartości
węgla (powy\
ej około 0,6% C)  kształt igieł.
Komórka elementarna martenzytu tpc jest podobna do rpc, ale ma jedną krawędz
dłu\
szÄ… od
c
pozostałych, przy czym stopień tetragonalności, tj. stosunek w sieci martenzytu jest
a
c
ëÅ‚
wiÄ™kszy od jednoÅ›ci >1öÅ‚ . Tetragonalność sieci martenzytu jest nastÄ™pstwem obecnoÅ›ci
ìÅ‚ ÷Å‚
a
íÅ‚ Å‚Å‚
węgla w roztworze, gdy\
martenzyt jest międzywęzłowym roztworem stałym
przesyconym węgla w \
elazie Ä….
Zawartość C, %
c
Rys. 6. Zmiana komórki krystalicznej martenzytu w funkcji zawartości węgla
a
Rys. 7. Twardość stali w stanie wy\
arzonym (Ä… + Fe3C) i hartowanym (martenzyt)
w funkcji zawartości węgla
Bezwęglowy martenzyt ma sieć rpc, natomiast w miarę wzrostu zawartości węgla rośnie
c
stosunek (rys. 6). Ze wzrostem zawartości węgla wzrasta twardość, wytrzymałość, alei
a
kruchość martenzytu. Rysunek 7 przedstawia wpływ zawartości węgla na twardość
martenzytu i dla porównania ma twardość stali
w stanie wy\
arzonym.
Na skutek tetragonalności sieci martenzytu linie dyfrakcyjne odpowiadające płaszczyznom
krystalograficznym sieci są rozdzielone dla danej postaci płaszczyzn, które w przypadku
regularnej sieci ferrytu są pojedyncze (np. płaszczyzny postaci {200} dają jeden prą\
ek dla
sieci ferrytu oraz dwa prÄ…\
ki o postaci {002} i postaci {200}).
Stosunek
c
/
a
Typową strukturę martenzytu iglastego w stali o zawartości 1% C pokazano na rys. 8. Między
igłami martenzytu w postaci jasnych pól widoczny jest austenit szczątkowy. Jest to austenit,
który istnieje w temperaturze pokojowej obok martenzytu. Ilość austenitu szczątkowego
pozostajÄ…ca w stali po hartowaniu zale\
y od wartości temperatur Ms i Mf, między którymi
zachodzi przemiana martenzytyczna. Im ni\
sze są te temperatury, tym więcej jest austenitu
szczątkowego. Wartości temperatur Ms i Mf zale\
ą głównie od zawartości węgla
(w stalach stopowych równie\
wpływają pierwiastki stopowe, szczególnie mangan i chrom).
Im większa zawartość węgla w stali, tym ni\
sze sÄ… temperatury Ms i Mf, jak to przedstawiono
na rys. 9. Oznaczenia temperatur pochodzÄ… od: Ms  martenzyt starts (poczÄ…tek przemiany
martenzytycznej) i Mf  martenzyt finishes (koniec przemiany martenzytycznej).
Rys. 8. Martenzyt iglasty w stali o zawartoÅ›ci 1% C; pow. 800×
Rys. 9. Zale\
ność temperatury Ms i Mf od zawartości węgla
Martenzyt jako metastabilna faza nie występuje na wykresie równowagi faz \
elazo  węgiel.
Po pewnym czasie w temperaturach poni\
ej temperatury eutektoidalnej (A1) dÄ…\
y do bardziej
stabilnej struktury ferrytu i węgliku \
elaza. Proces taki zachodzi podczas nagrzewania
przedmiotu po zahartowaniu do temperatury poni\
ej A1. Taką obróbkę nazywa się
odpuszczaniem. Przemiany zachodzÄ…ce podczas odpuszczania przedstawia krzywa
dylatometryczna (rys. 10). W dylatometrze ró\
nicowym mo\
na śledzić przemiany zachodzące
w zahartowanej stali eliminując zmiany wywołane rozszerzalnością cieplną (stal wy\
arzona
daje liniÄ™ poziomÄ… (b)  nie ma przemian; stal zahartowana daje krzywÄ… (a)  sÄ… przemiany
struktury).
Rys. 10. Krzywa dylatometryczna podczas odpuszczania stali niestopowej (1,2% C)
W pierwszym stadium odpuszczania, tj. w zakresie temperatur 80 ÷ 170°C zmniejsza siÄ™
c
parametr c sieci martenzytu i stosunek maleje do wartości zbli\
onej do jedności.
a
Zawartość węgla w martenzycie zmniejsza się, gdy\
wydzielają się bardzo drobne węgliki
\
elaza o składzie chemicznym zbli\
onym do wzoru Fe2C. Martenzyt taki nazywa siÄ™
martenzytem odpuszczonym i powstaje według schematu:
Odpuszczanie
M
ą + węglik \
elaza (Fe2C)
(Martenzyt)
(Martenzyt odpuszczony)
Przypuszcza siÄ™, i\
węgliki w martenzycie odpuszczonym są tego samego rodzaju, jak
bainicie dolnym powstajÄ…cym z austenitu.
Płytki węglika Fe2C są koherentne z martenzytem. Koherencja ta polega na sprzę\
eniu sieci
węglika z siecią martenzytu wzdłu\
określonej płaszczyzny krystalograficznej, czyli
graniczna warstewka atomów nale\
y zarówno do martenzytu, jak i do węglika.
W drugim stadium odpuszczania, przebiegajÄ…cym w zakresie temperatur 200 ÷ 300°C,
austenit szczątkowy rozkłada się na mieszaninę ferrytu i węglika \
elaza Fe2C. Jest to proces
dyfuzyjny i mieszanina ta jest bainitem dolnym. Przemiana austenitu szczÄ…tkowego pociÄ…ga
za sobą wzrost objętości (ok. 3%), co wywołuje wzrost naprę\
eń wewnętrznych (spada
odporność na działanie karbu).
W trzecim stadium odpuszczania zachodzÄ…cym miÄ™dzy 300°C a 400°C nastÄ™puje
przekształcenie się węglika Fe2C w płytki cementytu (Fe3C) le\
Ä…ce w osnowie ferrytycznej.
Objętość właściwa zmniejsza się, zanikają naprę\
enia. Powstałą strukturę nazywa się
trustytem, który jest mieszaniną ferrytu i cementytu o bardzo jeszcze du\
ej dyspersyjności
tych faz, opewnym ju\
stopniu koagulacji fazy cementytowej.
W miarÄ™ dalszego podgrzewania, w IV stadium odpuszczania, w granicach temperatur 400°C
 A1, następuje dalsza koagulacja cementytu w osnowie ferrytycznej i tworzy się struktura
zwana sorbitem.
Przy dalszym nagrzewaniu w temperaturach, bliskich 700°C, cementyt rozkÅ‚ada siÄ™ tworzÄ…c
du\
e, kuliste wydzielenia. Strukturę ferrytu z takim cementytem nazywa się sferoidytem. Siła
napędowa powodująca zmianę kształtu na kulisty i wzrost kuleczek cementytu pochodzi z
obni\
ania się ogólnej powierzchni granic ziaren, któremu towarzyszy obni\
anie siÄ™ energii
układu.
Dzięki ró\
nym przemianom austenitu istnieje szereg praktycznych zabiegów cieplnych
kształtujących strukturę, a więc i właściwości stali. Nale\
Ä… do nich: wy\
arzanie, hartowanie,
hartowanie stopniowe, odpuszczanie, hartowanie izotermiczne, które schematycznie
przedstawiono na rys. 11.
Rys. 11. Schemat przedstawiający ró\
ne rodzaje obróbki cieplnej stali
Wy\
arzanie
Wy\
arzanie polega na nagrzaniu stali do odpowiedniej temperatury i następnym powolnym
chłodzeniu. Do najczęściej stosowanych odmian wy\
arzania nale\
ą: zupełne, normalizujące
(normalizowanie), zmiękczające (sferoidyzacja). Temperatury wy\
ej wymienionych wy\
arzeń i
schematy tych procesów przedstawia rys. 12.
a) b)
Rys. 12. Temperatura (a) i schematy przebiegu procesów ró\
nych rodzajów wy\
arzania (b)
Wy\
arzanie zupełne i normalizowanie przeprowadza się z zakresu austenitu (głównie dla stali
podeutektoidalnych), z tym, \
e temperatura wy\
arzania zupeÅ‚nego wynosi 25 ÷ 30°C powy\
ej
temperatury równowagowej A3 (względnie Acm dla stali nadeutektoidalnych), a temperatura
normalizowania jest nieco wy\
sza, tj. 50 ÷ 60°C powy\
ej tych temperatur. Ró\
nica jest
równie\
w chłodzeniu. Przy wy\
arzaniu zupełnym materiał chłodzi się powoli, razem z
piecem, a przy normalizowaniu  na powietrzu.
Po wy\
arzaniu zupełnym w stali występuje perlit gruby. Stal jest miękka i dobrze się
skrawa. Jest to stosunkowo kosztowna operacja związana z długim czasem przebywania
materiału w piecu.
Celem normalizowania jest uzyskanie dobrego perlitu w stali, polepszenie właściwości
wytrzymałościowych i przygotowanie struktury przed ostateczną obróbką cieplną.
Wy\
arzanie zmiękczające (sferoidyzację) stosuje się w celu otrzymania sferoidu, czyli
perlitu, w którym znajduje się cementyt kuleczkowy. Dzięki temu zwiększa się plastyczność
stali, a tym samym udarność. Stosowane jest do stali wysokowęglowych (np. stali na ło\
yska
toczne). Wy\
arzanie zmiękczające przeprowadza się w temperaturze nieco poni\
ej
temperatury A1 (ok. 700°C) wygrzewajÄ…c w czasie 16 ÷ 24 godzin, jeÅ›li strukturÄ… wyjÅ›ciowÄ…
jest perlit płytkowy.
Natomiast jeśli zmiękczamy stal zahartowaną o strukturze martenzytycznej, czas wy\
arzania
jest krótszy i wynosi 1 ÷ 2 godzin. KsztaÅ‚t ziaren cementytu w postaci pÅ‚ytek utrudnia
odkształcenie ferrytu bardziej ni\
cementyt kuleczkowy w sferoidycie. Znajduje to swoje
odbicie w ró\
nicy twardości, która jest funkcją powierzchni granic ziaren. Im większa ta
powierzchnia, tym większe umocnienie ferrytu, a więc mniejsza plastyczność (rys. 13).
a) b)
Rys. 13. Wpływ cementytu płytkowego w perlicie i cementytu kuleczkowego w sferoidycie
na twardość (a) i udarność (b) stali. Zawartości cementytu i perlitu podane są w procentach
objętościowych
Przy tej samej ilości cementytu jego postać kuleczkowa daje mniejszą powierzchnię granic
ziaren ni\
w przypadku postaci płytkowej i dlatego sferoid jest bardziej miękki ni\
perlit oraz
ma większą udarność i odporność na pękanie. Aby pęknięcie się przemieszczało, potrzebna
jest większa energia w przypadku jego rozprzestrzeniania się w osnowie ferrytycznej
sferoidytu ani\
eli perlitu. Tak więc większa energia jest absorbowana i większa jest
odporność na pękanie. Strukturę sferoidytu (ferrytu i cementytu o kształcie kuleczek)
pokazano na rys. 14.
Rys. 14. Sferoidyt: kuleczki cementytu na tle ferrytu w stali o zawartoÅ›ci 1,2% C; pow. 600×
Hartowanie zwykłe
Hartowanie zwykłe jest najprostszym sposobem hartowania. Odbywa się przez nagrzanie
przedmiotu do zakresu austenitu i następnie zanurzenie
w ośrodku chłodzącym a\
do zupełnego ochłodzenia. Przy tym sposobie chłodzenia
występują du\
e ró\
nice w temperaturze warstwy powierzchniowej
i rdzenia przedmiotu. Warstwy powierzchniowe o ni\
szej temperaturze dÄ…\
Ä… do kurczenia siÄ™,
czemu przeciwdziałają warstwy rdzenia o wy\
szej temperaturze. W wyniku tego powstajÄ…
naprÄ™\
enia rozciÄ…gajÄ…ce o warstwie powierzchniowej
i ściskające w warstwach środkowych przedmiotu. Naprę\
enia te mogą powodować pęknięcia
hartowanych wyrobów. Zasadniczo ten sposób hartowania stosuje się do przedmiotów o
kształcie prostym, nieskomplikowanym i niewielkim przekroju. Stale węglowe chłodzi się w
wodzie (przedmioty ze stali węglowej o małych wymiarach o średnicy mniejszej ni\
2 do
5 mm chłodzi się w oleju), a stale stopowe w oleju.
Hartowanie stopniowe
Przy tym sposobie hartowania najpierw przedmiot szybko chłodzi się w kąpieli hartowniczej
majÄ…cej temperaturÄ™ wy\
szÄ… od temperatury Ms danej stali. Po wytrzymaniu przez pewien
czas w tej kÄ…pieli (czas ten nie mo\
e być za długi, nie mo\
e dojść do przemiany ł ą +
Fe3C), przedmiot powinien mieć jednakową temperaturę w rdzeniu i warstwie
powierzchniowej. Po tym czasie następuje wolne chłodzenie w drugim ośrodku chłodzącym,
podczas którego zachodzi przemiana austenitu w martenzyt. Dzięki takiemu chłodzeniu w
przedmiocie powstajÄ… mniejsze naprÄ™\
enia i unika się pęknięć hartowniczych.
Przy chłodzeniu powolnym w zakresie przemiany ł M stal wykazuje plastyczność (w ogóle
metale w chwili, gdy zachodzÄ… w nich przemiany fazowe, wykazujÄ… du\
ą plastyczność), co
wykorzystuje się w procesach prostowania wyrobów.
Z uwagi jednak na gorÄ…ce (tzn. o temperaturze powy\
ej Ms), a zatem wolno chłodzące kąpiele
niemo\
liwe jest osiągnięcie krytycznej szybkości hartowania dla grubszych przedmiotów.
Dlatego te\
, hartowanie stopniowe stosuje się do przedmiotów o średnicy nie większej ni\
10
÷ 12 mm wykonanych ze stali wÄ™glowej i nie wiÄ™kszej ni\
20 ÷ 30 mm  ze stali stopowej.
Odpuszczanie
Martenzyt jest bardzo twardy, ale i bardzo kruchy, tym bardziej, im więcej zawiera węgla.
Twardość i ciągliwość są przeciwstawne sobie, im większa twardość, tym mniejsza
ciągliwość. W przypadku odpuszczania martenzytu
w większym stopniu rośnie ciągliwość i udarność ni\
maleje twardość i wytrzymałość.
Martenzyt odpuszczony ma stosunkowo du\
ą wytrzymałość i dobrą udarność, je\
eli jest
odpowiednio obrobiony cieplnie (odpuszczony). Następuje to dzięki rozdrobnieniu twardych
wydzieleń węglikowych wewnątrz ciągliwej ferrytycznej osnowy. Wydzielenia węglikowe
utrudniają ruch dyslokacji, a tym samym poślizg i umacniają stop. Z odpuszczaniem wią\
e siÄ™
zjawisko kruchości odpuszczania. Związane jest ono z temperaturą odpuszczania i szybkością
chłodzenia w zakresie: temperatura odpuszczania  temperatura otoczenia (rys. 15).
Rys. 15. Zale\
ność udarności od temperatury odpuszczania i szybkości chłodzenia
Rozró\
nia się dwa rodzaje kruchości odpuszczania.
1. Kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju powstaje podczas odpuszczania przy ok.
300°C we wszystkich stalach, niezale\
nie od ich składu chemicznego i szybkości
chłodzenia przy odpuszczaniu. Prawdopodobnie przyczyną tej kruchości jest
nierównomierność w procesie rozkładu martenzytu odpuszczonego, który
najintensywniej przebiega na granicach ziaren w temperaturach 250 ÷ 350°C. Z tego
powodu warstwy przy granicach ziaren mają mniejszą wytrzymałość, stają się miejscem
koncentracji naprÄ™\
eń, co prowadzi do kruchego pękania.
2. Kruchość odpuszczania drugiego rodzaju ujawnia się przy powolnym chłodzeniu z temperatury
odpuszczania 500 ÷ 600°C stali stopowych zawierajÄ…cych nikiel, chrom i mangan.
Prawdopodobnie wiÄ…\
e siÄ™ ona
z bardziej intensywnym procesem tworzenia się węglików manganu
i chromu przy granicach ni\
w samych ziarnach. Zubo\
enie warstw przygranicznych w
pierwiastki węglikotwórcze (tj. Mn i Cr) wywołuje dyfuzję fosforu do tych stref, który
wykazuje dÄ…\
ność do dyfuzyjnego przemieszczenia atomów do obszarów ubo\
szych w wy\
ej
wymienione pierwiastki (zjawisko dyfuzji wstÄ™pujÄ…cej). Przy temperaturach 500 ÷ 600°C
ruchliwość dyfuzyjna atomów fosforu jest dostatecznie du\
a. Wydzielenia fosforu osłabiają
połączenie ziaren. Wygrzanie ponowne w temperaturze nieco powy\
ej 600°C i szybkie
chłodzenie w wodzie usuwa kruchość, gdy\
nie zachodzi segregacja fosforu. Kruchości
odpuszczania drugiego rodzaju mo\
na uniknąć równie\
przez dodanie do stali 0,5% molibdenu.
W praktyce przyjęto dzielić odpuszczanie stali węglowej w zale\
ności od temperatury
wygrzewania na:
1) odpuszczanie w niskiej temperaturze w zakresie 150 ÷ 250°C, które ma na celu
usunięcie, a przynajmniej zmniejszenie naprę\
eń hartowniczych przy nieznacznym
polepszeniu plastyczności z jednoczesnym zachowaniem wysokiej twardości i
wytrzymałości;
2) odpuszczanie w Å›redniej temperaturze w zakresie 250 ÷ 500°C, które ma na celu
uzyskanie wysokiej sprÄ™\
ystości przy dostatecznej udarności oraz utrzymanie wysokiej
wytrzymałości;
3) odpuszczanie w wysokiej temperaturze w zakresie 500°C ÷ Ac1, które ma na celu
uzyskanie bardzo wysokiej udarności przy mo\
liwie jeszcze dobrej wytrzymałości.
Hartowanie poÅ‚Ä…czone z nastÄ™pnym odpuszczaniem w wysokich temperaturach (500 ÷ 670°C)
przyjęto nazywać ulepszaniem cieplnym. Celem jego jest, przez rozdrobnienie budowy,
uzyskanie wysokich własności wytrzymałościowych przy optymalnych własnościach
plastycznych. Stosuje się je w hutach do wyrobów gotowych (blach, prętów, odkuwek) lub w
zakładach budowy maszyn, jako wstępną, a czasem ostateczną obróbkę cieplną przed obróbką
mechanicznÄ… przez skrawanie.
Tak zwane częściowe odpuszczanie uzyskuje się przez miejscowe nagrzewanie części
przedmiotu uprzednio zahartowanego.
Hartowanie izotermiczne
Przy hartowaniu izotermicznym następuje przemiana austenitu na ferryt i węglik w stałej
temperaturze, powy\
ej temperatury Ms, ale poni\
ej przegięcia krzywych C. Wymaga to
szybkiego ochłodzenia austenitu do tej temperatury w celu uniknięcia przemiany austenitu w
perlit. Jak ju\
wcześniej wspomniano, przy omawianiu izotermicznej przemiany austenitu, w
temperaturze powy\
ej Ms, a poni\
ej przegięcia krzywych C, izotermiczna przemiana austenitu
odbywa się poprzez ścinanie i dyfuzję prowadząc do powstania ferrytu i wydzielonych w nim
drobnych węglików  bainitu. Wyroby o tej strukturze są wytrzymałe, twarde i pozbawione
pęknięć dzięki stałej temperaturze w czasie przemiany. Bainit jest podobny do martenzytu
odpuszczonego i właściwości fizyczne tych dwu mikrostruktur są zbli\
one.
Badania wykazujÄ…, i\
krzywe C składają się z dwu krzywych, tak jak to pokazano na rys. 16a
dla stali eutektoidalnej, które się ze sobą stykają. W tym przypadku nie mo\
na otrzymać
bainitu podczas chłodzenia ciągłego, poniewa\
zawsze pierwszy będzie powstawał perlit.
Natomiast w stalach stopowych krzywe C dla perlitu i bainitu są przesunięte w czasie i
temperaturze, co ilustruje rys. 16b. W tego typu stalach bainit mo\
e być otrzymany przy
ciągłym chłodzeniu, poniewa\
powstawanie perlitu jest opóz
nione przez dodatki stopowe
bardziej ni\
powstawanie bainitu.
a) b)
Rys. 16. Przemiana perlityczna i bainityczna: a) w stali węglowej o zawartości 0,80% C; b) w stali niskostopowej o
zawartoÅ›ci 0,40% C (1,65 ÷ 2,00)% Ni; (0,40 ÷ 0,90)% Cr; (0,20 ÷ 0,30)% Mo
Hartowność
Hartowność jest miarą podatności stali do tworzenia w 100% struktury martenzytycznej
podczas hartowania. Stal, w której austenit szybko zamienia się na ferryt i węglik ma małą
hartowność. Natomiast jeśli w stali przemiana austenitu w ferryt i węglik przebiega bardzo
wolno  ma du\
ą hartowność.
Hartowność nie jest związana z twardością powstającego martenzytu, a jedynie zale\
y od
krytycznej szybkości chłodzenia, koniecznej do uzyskania 100% martenzytu. Przy czym, jak
to przedstawiono wcześniej na rys. 7, sam martenzyt ma ró\
ną twardość, zale\
nÄ… od
zawartości węgla w stali.
próbka
woda
a) b)
Rys. 17. Próba hartowania od czoła wg Jominy ego; a  wymiary próbki i schemat urządzenia,
b  badanie hartowności [2]
Najpowszechniej stosowaną metodą badania hartowności jest próba hartowania od czoła według
Jominy ego. W próbce tej pręt o określonych wymiarach, po nagrzaniu do austenitu, jest od czoła
chłodzony strumieniem wody o odpowiedniej szybkości wypływu i ciśnienia, jak to pokazano na rys.
17. Po ochłodzeniu próbki zeszlifowuje się warstwę o grubości 0,4 mm z jej powierzchni bocznej,
mierzy twardość wzdłu\
tworzącej i przedstawia graficznie w układzie współrzędnych: twardość 
odległość od czoła (rys. 18). Określone odległości od czoła, nanosi się na górną oś odciętych (na rys.
18 okreÅ›lone sÄ… szybkoÅ›ci chÅ‚odzenia dla temperatury 700°C).
Rys. 18. Krzywa hartowności Jominy ego
Hartowność stali węglowej jest mała. W miarę wzrostu dodatków stopowych w stali
hartowność rośnie (rys. 19). Równie\
ze wzrostem ziarna w stali hartowność rośnie, co
wynika z mniejszej szybkości rozkładu austenitu na ferryt i węgliki, gdy\
zarodki krystalizacji
powstają głównie na granicach ziaren austenitu, a więc im większe ziarno, tym mniejsza
łączna długość granic ziaren i mniejsza liczba zarodków.
W ten sposób, przy danej szybkości chłodzenia, gruby austenit wytwarza więcej martenzytu
ni\
drobnoziarnisty.
Rys. 19. Krzywe hartowności stali o ró\
nym składzie chemicznym