1.Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadami doboru parametrów obróbki cieplnej oraz z rolą pierwiastków stopowych w obróbce cieplnej stali, a w szczególności:

1. zbadanie wpływu temperatury wygrzewania stali na twardość i strukturę jaką uzyskuje się po gwałtownym oziębieniu.

2. Porównanie charakterystyki twardość – temperatura odpuszczania stali węglowej i wybranej stali stopowej.

2. Wykonanie ćwiczenia.

1. określenie wpływu temperatury wygrzewania stali na twardość

i strukturę jaka uzyskuje się po gwałtownym oziębieniu.

Materiał: stal węglowa 45 w stanie wyżarzonym ( krążki o śr. 30 mm )

Jedną z próbek umieścić w piecu o temperaturze 700C, druga w piecu

o temperaturze 850C. Obydwie próbki wygrzewać w ciągu 20 minut

i wrzucić do wody. Trzecia próbkę pozostawić nie obrobioną cieplnie. Wykonać szlify metalograficzne wszystkich trzech próbek i wytrawić nitalem. Porównać i narysować struktury. Zmierzyć twardość próbek metodą Rockwella ( w skali D – penetrator stożek, 100kG ) wykonać na każdej z próbce po 5 pomiarów.

2. odpuszczanie stali stopowej SW7M i stali węglowej 45.

Materiał:

- zahartowana stal węglowa 45 ( krążek o średnicy 30 mm ), austenizowana w temperaturze 850C i oziębiana w wodzie,

- zahartowana stal stopowa SW7M ( krążek o średnicy 16 mm ), o składzie chemicznym : ~ 0,85 %C , ~ 4,5%Cr , ~ 6,5% W , ~5% Mo , ~ 2%V , austenizowana w temperaturze 1200C i oziębiana w oleju.

Zmierzyć twardość stali 45 i SW7M w stanie zahartowanym metodą Rockwella ( skala C, penetrator – stożek diamentowy, 150kG ). Wykonać

co najmniej po 5 pomiarów na każdej z próbek. Po jednej próbce ze stali 45

i SW7M umieścić w piecach o temperaturze 200C , 350C , 550C

i odpuszczać w ciągu jednej godziny. Próbki wyjąć z pieców i chłodzić

na powietrzu aż do temperatury otoczenia. Oznakować próbki pisakiem, zeszlifować jedną z płaszczyzn i zmierzyć twardość HRC wykonując

co najmniej po 5 pomiarów na każdej z próbek.

Wykonać graficznie zależność twardość – temperatura odpuszczania dla stali niestopowej 45 i stopowej SW7M.

3.Opracowanie sprawozdania.

Sprawozdanie powinno zawierać:

• Opis przebiegu eksperymentu.

• Wyniki badań.

• Interpretację uzyskanych wyników.

• Wnioski.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA.

Temperaturę hartowania dla stali określa położenie punktów (temperatur) krytycznych A1 i A3. Dla stali węglowych temperaturę hartowania można wyznaczać na podstawie wykresu żelazo – węgiel. Zazwyczaj dla stali podeutektoidalnych powinna ona być o 30 – 50şC wyższa od Ac3 , natomiast dla stali nadeutektoidalnych o 30 – 50şC wyższa od Ac1. Przy hartowaniu stali podeutektoidalnych z temperatury leżącej powyżej Ac1 , lecz poniżej Ac3 , w strukturze obok martenzytu utrzymuje się część ferrytu, który obniża twardość w stanie zahartowanym i pogarsza własności mechaniczne po odpuszczaniu. Takie hartowanie określa się jako niezupełne i w zasadzie nie stosuje się go w praktyce.

Dla stali nadeutektoidalnych optymalna temperatura hartowania leży właśnie w zakresie Ac1 - Acm, teoretycznie, zatem jest to hartowanie niezupełne. Obecność w strukturze stali zahartowanej nadmiernego cementytu jest z wielu względów pożądana, ponieważ cząstki cementytu m.in. zwiększają odporność stali na ścieranie. Nagrzewanie stali nadeutektoidalnych powyżej Acm jest niebezpieczne i niepotrzebne, ponieważ nie powoduje wzrostu twardości, lecz ją nieco nawet obniża wskutek rozpuszczenia nadmiarowego cementytu i wzrostu ilości austenitu szczątkowego. Podczas takiego nagrzewania rośnie ziarno austenitu, zwiększa się ryzyko wystąpienia dużych naprężeń hartowniczych nasila się odwęglenie powierzchniowe stali itd.

Podwyższenie temperatury hartowania powyżej danych wartości i spowodowany tym rozrost ziarna austenitu uzewnętrznia się przede wszystkim grubo iglastą strukturą, martenzytyczną, czemu może towarzyszyć gruboziarnisty, krystaliczny charakter przełomu. Następstwem takiej struktury stali jest niska ciągliwość w próbie udarności.

Wymogi technologiczne przy hartowaniu:

Podgrzewanie przedmiotów należy prowadzić powoli, zwłaszcza dla przedmiotów o bardziej skomplikowanych kształtach j dla stali stopowych, które posiadają mniejszy współczynnik przewodnictwa właściwego.

Czas wygrzania w temperaturze hartowania powinien być możliwie krótki, lecz dostateczny do ogrzania całego przedmiotu na wskroś i zajścia austenityzacji. Czas ten jest zależny od stosunku powierzchni przedmiotu do jego masy, i im stosunek ten jest większy tym czas może być krótszy. Nie może on być zbyt długi, aby nie nastąpił rozrost ziaren austenitu.

Przedmioty w piecu powinny być ułożone tak, aby nie mogło nastąpić płynięcie materiału w wysokich temperaturach pod wpływem ich własnego ciężaru. Większe przedmioty o skomplikowanych kształtach, muszą być z tego powodu ustawione na specjalnych podstawach.

Nagrzewanie należy prowadzić w zasadzie w atmosferach obojętnych, aby nie mogło nastąpić nawęglenie, utlenienie, czy inne niepożądane efekty.

Wyniki badań.

Określenie wpływu temperatury wygrzewania stali na twardość i strukturę jaka uzyskuje się po gwałtownym oziębieniu.

Materiał: stal węglowa 45 w stanie wyżarzonym ( krążki o śr. 30 mm ).

Struktury próbek wyżarzanych i nie obrabianych termicznie.

Stal 45 nie obrabiana cieplnie.

Stal 45 wyżarzana w temperaturze 700C.

Stal 45 wyżarzana w temperaturze 850C.

Wyniki pomiarów twardości próbek poddawanych wyżarzaniu w różnych temperaturach oraz próbki nie wyżarzanej. Twardość mierzona metodą Rockwella ( skala D – penetrator stożek, 100kG ).

	stal 45	Stal 45-700C	Stal 45-850C
1	12	25	70
2	25	24	71
3	20	30	70
4	19	28	72
5	20	25	71
Średnia wartość	19	26	70

Interpretacja wyników.

Wyniki pomiarów zamieszczone w powyższej tabeli ilustrują zmianę twardości jaką uzyskuje się po gwałtownym ochłodzeniu w wodzie w zależności od temperatury wygrzewania. Jak widać stal nie obrobiona cieplnie ma najniższą średnią wartość twardości z pośród badanych próbek. Stal 45 poddawana wygrzewaniu w temperaturze 700C ma nieco wyższą twardość średnią niż stal nie obrabiana cieplnie. Natomiast w przypadku stali wygrzewanej

w temperaturze 850C wartość średniej twardości jest znacznie wyższa niż

w dwóch poprzednich przypadkach.

Odpuszczanie stali stopowej SW7M i stali węglowej 45.

Wyniki pomiarów twardości stali stopowej SW7M i stali węglowej 45 w stanie zahartowanym przed odpuszczaniem. Badanie przeprowadzone metodą Rockwella ( skala C, penetrator – stożek diamentowy, 150 kG ).

	Stal 45	Stal SW7M
1	52	59
2	45	55
3	33	76
4	54	50
5	56	54
Średnia wartość	48	58

Wyniki pomiarów twardości stali stopowej SW7M i stali węglowej 45

w stanie zahartowanym po odpuszczaniu. Badanie przeprowadzone metodą Rockwella ( skala C, penetrator – stożek diamentowy, 150 kG ).

Badanie przeprowadziliśmy po uprzednim wygrzaniu po jednej z próbek

w trzech różnych temperaturach ( 200C, 350C, 550C ) a następnie

po ochłodzeniu ich w powietrzu do temperatury otoczenia.

	200C		350C		550C
	45	SW7M	45	SW7M	45	SW7M
1	46	57	37	47	25	55
2	49	56	32	49	15	51
3	42	60	27	55	17	43
4	47	62	35	60	21	49
5	44	59	33	47	19	44
Wartość średnia	45	58	32	51	19	48

Interpretacja wyników.

W tabeli umieszczonej powyżej przedstawione są wyniki pomiaru twardości dwóch próbek w stanie zahartowanym przed odpuszczaniem. Wynika z niej, że średnie wartości twardości obydwu próbek niewiele od siebie odbiegają, różnica wynosi około 10 HRC.

Następna tabela zawiera wyniki pomiarów twardości próbek po zakończonej operacji odpuszczania. Z pomiarów wynika, że o ile przy temperaturze odpuszczania 200C średnia wartość twardości dla stali 45 i stali SW7M są podobnego rzędu jak przed odpuszczaniem ( różnica twardości pozostaje w takim samym stosunku jak przed odpuszczaniem, niewielki spadek średniej twardości możemy zauważyć dla stali 45, średnia wartość dla stali SW7M pozostaje niezmienna).

Przy temperaturze odpuszczania 350C można zauważyć, że średnia wartość twardości w przypadku obu próbek zmniejszyła się, ponadto można zauważyć, że twardość stali 45 obniżyła się w znacznie większym stopniu niż stali stopowej SW7M.

Przy temperaturze odpuszczania 550C wystąpił bardzo ciekawy przypadek, średnia wartość twardości stali węglowej 45 przyjmuje jeszcze niższe wartości niż dla temperatury odpuszczania 350C. Natomiast średnia wartość twardości dla stali stopowej SW7M zwiększyła swoje wartości i jest wyższa niż dla próbki w stanie zahartowanym przed odpuszczaniem. Nastąpiło w tym przypadku utwardzenie materiału – zwane utwardzeniem wtórnym.

Zamieszczone wyniki i interpretacja wyników została zilustrowana wykresem twardość – temperatura odpuszczania.

Wnioski

Odpuszczanie polega na nagrzaniu zahartowanej uprzednio stali do temperatury niższej od A₁ i wytrzymaniu w tej temperaturze przez czas konieczny do zajścia przemiany. Główną i najistotniejsza przemianą, jaka zachodzi w zahartowanej stali, jest rozkład martenzytu, który pozostawał w stanie równowagi metastabilnej, w mieszaninę faz złożoną z ferrytu i węglików. Badane przez nas próbki po wykonaniu na nich szlifów metalograficznych posiadały różne struktury. Próbka wygrzewana w temp. 700 C miała strukturę przybliżoną do próbki, która nie była poddana obróbce cieplnej. Widoczne na niej były jasne pola ferrytu i ciemne pola perlitu, który jest niejednolity, a przyczyną tego może być zbyt powolne chłodzenie. Po odpuszczaniu stali 45 i SW7M na podstawie sporządzonego wykresu można wykazać, iż twardość uzyskana po hartowaniu maleje wraz ze wzrostem odpuszczania. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów możemy stwierdzić, że ze wzrostem temperatury hartowania rośnie twardość badanego materiału. Na twardość stali po zahartowaniu wpływa prędkość chłodzenia i zawartość węgla w stali. Jeżeli zawartość węgla w stali będzie zbyt niska wtedy trudno będzie ją zahartować, a twardość będzie rosła nieznacznie ze wzrostem temperatury hartowania.Stwierdzić można, że spadek twardości przy odpuszczaniu rekompensuje się nam jednak polepszeniem innych równie ważnych właściwości stali tj. zmniejszeniem naprężeń wewnętrznych i kruchości oraz zwiększeniem właściwości plastycznych i sprężystych.

8