02.04.08

SiMR Gr 1.2

Elżbieta Paulina Szafran

Bartłomiej Milanowski

Marcin Mydłowski

LABORATORIUM MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Temat ćwiczenia:

OBRÓBKA CIEPLNA STALI KONSTRUKCYJNEJ

1. Wstęp teoretyczny

Obróbka cieplna stali konstrukcyjnej (ulepszanie cieplne)

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.

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.

Ulepszanie cieplne jest 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.

Hartowanie Czyli 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.

Z pewnym uproszczeniem można powiedzieć, ze 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.

Dobór warunków hartowania

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.

Odpuszczanie stanowi drugą cześć ulepszania cieplnego, 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 nie zachodzą w temperaturach normalnych.

Odpuszczanie można określić 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. 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. Zjawisko to powoduje zanik tetragonalności martenzytu.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 s 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. 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 s 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 około 680°C nazwano sorbitem.

Mikrostruktura martenzytu ma pewne cechy wyjątkowe. Ziarna martenzytu mają kształt płytek ułożonych częściowo równolegle do siebie i częściowo pod kątami 60° i 120°. 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.

Bainit to mieszanina przesyconego ferrytu i wydzielonych węglików. Powstaje w wyniku przemiany bainitycznej. Ma ona charakter częściowo dyfuzyjny. Wraz z obniżaniem temperatury przemiany zwiększa się udział przemiany bezdyfuzyjnej i twardość bainitu. Twardość bainitu jest mniejsza od twardości martenzytu.

Wyróżnia się dwa rodzaje bainitu:

• bainit górny - powstaje w wyniku przemiany zachodzącej w temperaturze powyżej 300°C. Składa się z cementytu oraz przesyconego ferrytu. Jest strukturą niekorzystną ze względu na kruche pękanie.

• bainit dolny - powstaje w wyniku przemiany zachodzącej w temperaturze poniżej 300°C. Składa się z węglika ε oraz przesyconego ferrytu. Jest on twardszy od bainitu górnego, gdyż wydzielone węgliki są bardziej dyspersyjne.

Szybkość krytyczna hartowania

Jednym z warunków uzyskania struktury martenzytycznej, jak podaje norma jest chłodzenie stali będącej w stanie austenitycznym z szybkością większą od szybkości krytycznej hartowania. Szybkość tę definiuje się jako najmniejszą szybkość, przy której uzyskuje się martenzyt. Wartość tej szybkości me 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.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 małych stopniach przechłodzenia lub niewielkiej szybkości chłodzenia tworzy się perlit gruby. Przy nieco większych przechłodzeniach lub szybkościach chłodzenia-perlit drobny.

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 . . Oznacza to, że im mniejsza jest V_kr tym grubsza jest warstwa zahartowana. 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. Grubość warstwy zahartowanej określić można na podstawie badań metalograficznych lub prościej, pomiaru twardości. Ponieważ twardość martenzytu praktycznie zależy od zawartości węgla.

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 średnica krytyczna.

2. Ćwiczenie praktyczne

2.1 Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zbadanie zmian twardości zachodzących w stali na skutek obróbki cieplnej stali konstrukcyjnej.

2.2 Przebieg Ćwiczenia

• przeprowadzenie odpowiedniego zabiegu technologicznego materiału (wygrzanie oraz chłodzenie stali)

• pomiar twardości dla próbek z różnych temperatur metodą Rockwella.

• zapis i analiza otrzymanych wyników

2.2 Wyniki obserwacji

2.2.1 Wyniki dla próbek wykonanych na zajęciach

Próbka I

• wygrzana w temp. 830° C

• chłodzona w wodzie

• pomiar twardości w skali HRC

Próba	Wynik
1.	53
2.	54
3.	56
Średnia	54,33

Próbka II

• wygrzana w temperaturze 830° C

• chłodzona na powietrzu

• normalizowana

• pomiar twardości w skalach HRC i HRB (przejście na skalę B dla wyników < 20 wg. polskiej normy)

Pomiar	Wyniki
		HRC	HRB
1.	16,5	92
2.	17,5	96
3.	----	92
Średnia	16,75	93,33

Próbka III

• wygrzana w temperaturze 830° C

• chłodzona w oleju

• pomiar twardości w skali HRC

Próba	Wynik
1.	47
2.	47
3.	48
Średnia	47,33

Próbka IV

• wygrzana w temperaturze 830° C

• odpuszczona w temperaturze 500° C

• pomiar twardości w skali HRC

Próba	Wynik
1.	36
2.	37
3.	37
Średnia	36,33

2.2.2 Wyniki dla stali 50

l.p	Oznaczenie	Proces technologiczny	Próba
						1.	2.	3.	Średnia
1.	MP-3-1	hartowana w temp. 830° C normalizowana chłodzona w wodzie	23	26	24,5	24,5
2.	MP-3-2	hartowana w temp. 830° C	53	51	54	52,67
3.	MP-3-3	hartowana w temp. 830° C odpuszczona w temp. 200° C	49	50	50	49,67
4.	MP-3-4	hartowana w temp. 830° C odpuszczona w temp. 300°	43	45	46	44,67
5.	MP-3-5	hartowana w temp. 830° C odpuszczona w temp. 400°	28	29	31	29,33
6.	MP-3-6	hartowana w temp. 830° C odpuszczona w temp. 500°	30	27	30	29
7.	MP-3-7	hartowana w temp. 830° C odpuszczona w temp. 600°	23	22	22	22,33

3. Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów zauważamy, że obróbka cieplna ma znaczące znaczenie na twardość otrzymanego materiału. Ponieważ wszystkie przebadane próbki były wygrzane w jednakowej temperaturze, znacznie łatwiej zaobserwować wpływ środowiska chłodzenia oraz zabiegu odpuszczania na otrzymane wyniki. Zauważamy, że największą twardość ma próbka chłodzona na powietrzu i znacznie przekracza ona wielkości uzyskane dla pozostałych dwóch sposobów chłodzenia. Powyższa tabela pokazuje też wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania twardość materiału maleje wraz ze wzrostem temperatury, jednak spadek jest nierównomierny dla kolejnych temperatur.

1

---