• Układ równowagi Fe-Cementyt

• fazy występujące w układzie Fe-Cementyt (ferryt, austenit ,cementyt)

• struktury występujące w układzie Fe-Cementyt (perlit , ledeburyt, ledeburyt przemieniony)

• Właściwości faz i struktur występujących w układzie Fe-Cementyt

• Wpływ zawartości węgla w stopach żelaza na strukturę i właściwości

• Przemiany perlityczna

• Przemiana bainityczna

• Przemiana martenzytyczna

• Wpływ szybkości chłodzenia na strukturę stopów Fe-Cementyt

• krzywe CTP

• Obróbka cieplna zwykła. (definicja)

• Hartowanie martezytyczne ciągłe

• Hartowanie martezytyczne stopniowe

• Hartowanie bainityczne izotermiczne

• Pojęcie hartowności

• Miary hartowności

• Definicja i cel odpuszczania: niskie, średnie, wysokie.

• Wyżarzanie ujednoradniające - definicja i cel

• Wyżarzanie normalizujące - definicja i cel

• Wyżarzanie zupełne - definicja i cel

• Wyżarzanie zmiękczające - definicja i cel

• Wyżarzanie rekrystalizujące - definicja i cel

• Wyżarzanie odprężające - definicja i cel

• Wyżarzanie stabilizujące - definicja i cel

RODZAJE WYKRESÓW CTP

Ilościowe dane dotyczące zależności struktury i własności stali od temperatury

i czasu przemiany austenitu przechłodzonego zawierają wykresy CTP - czas-temperatura-

przemiana.

W zależności od sposobu chłodzenia dla różnych gatunków stali są opracowywane

wykresy:

CTPi - przy chłodzeniu izotermicznym,

CTPc - anizotermiczne przy chłodzeniu ciągłym.

WYKRESY IZOTERMICZNE CTPi

Na wykresach izotermicznych są podawane linie początku i końca przemiany

austenitu w perlit, bainit i martenzyt w zależności od czasu τ przy stałej temperaturze

przemiany t (rys. 4.66a). Czas rozpoczęcia i zakończenia każdej przemiany

odczytuje się z wykresu przez zrzutowanie na oś czasu punktów przecięcia krzywych

początku i końca przemiany przez prostą odpowiadającą danej temperaturze.

Wykresy CTPi sporządza się określając stopień przemiany przy danej temperaturze

metodą dylatometryczną, magnetyczno-indukcyjną, elektryczną lub metalograficzną

(rys. 4.66). Wykresy CTPi opracowane dla różnych stali są wykorzystywane

do określenia temperatury i czasu wygrzewania podczas wyżarzania izotermicznego

oraz wychładzania w kąpieli solnej przy hartowaniu izotermicznym

lub stopniowym.

WYKRESY ANIZOTERMICZNE CTPc

Wykresy CTPc charakteryzują przemiany austenitu przechłodzonego przy chłodzeniu

z różnymi szybkościami (rys. 4.66b). Otrzymuje się je w wyniku badań metodą

dylatometryczną, na dylatometrach bezwzględnych. Temperatury początku

i końca poszczególnych przemian i odpowiadające im czasy odczytuje się przez

rzutowanie odpowiednio na osie temperatury lub czasu punktów przecięcia krzywych

szybkości chłodzenia z krzywymi początku i końca przemiany.

Wykresy CTPc

znalazły zastosowanie do ustalenia struktury i twardości stali hartowanej, normalizowanej

lub poddanej wyżarzaniu zupełnemu. W celu określenia struktury i twardości

stali na podstawie wykresów CTPc, w zależności od warunków chłodzenia

z temperatury austenityzowania, można posłużyć się wykresami zmian temperatury

prętów o różnych średnicach, chłodzonych w różnych ośrodkach (rys. 4.67). Wykresy CTPc różnych stali umożliwiają również określenie dla nich szybkości krytycznej

υk, czyli najmniejszej szybkości chłodzenia z temperatury austenityzowania

zapewniającej uzyskanie struktury wyłącznie martenzytycznej. Na wykresie CTPc

szybkość krytyczna jest linią chłodzenia przebiegającą stycznie do krzywej początku

przemiany austenitu w punkcie najmniejszej trwałości austenitu przechłodzonego

(rys. 4.66b).

Postać wykresów CTP w dużym stopniu zależy od składu chemicznego stali

(porównaj rozdział 6.3.2).

MECHANIZM PRZEMIANY PERLITYCZNEJ

Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej

temperatury Ar1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona

z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Siłą pędną przemiany perlitycznej

jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu.

Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną

MECHANIZM PRZEMIANY MARTENZYTYCZNEJ

Przemiana martenzytyczna jest przemianą

bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu

austenitu do temperatury Ms, początku

tej przemiany, w przypadku dużej

liczby stali mniejszej nawet od ok. 200°C,

przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej

υk. W wyniku tej przemiany powstaje

martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla

w żelazie α (rys. 4.47). Przemiana martenzytyczna

zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania

temperatury w zakresie od temperatury

początku przemiany Ms, do temperatury

Mf jej końca. Wartości temperatury Ms i Mf

zależą od składu chemicznego austenitu i obniżają

się ze zwiększeniem stężenia węgla

w austenicie (rys. 4.48) oraz wszystkich niemal

dodatków stopowych z wyjątkiem Al

i Co (rys. 4.49).

MECHANIZM PRZEMIANY BAINITYCZNEJ

Przemiana bainityczna łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego

przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temperatury

w zakresie ok. 450÷200°C. W wyniku przemiany powstaje bainit, będący mieszaniną

ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików. Zarodkowanie bainitu

rozpoczyna dyfuzyjne przemieszczanie węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacji.

Zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel, utworzone w pobliżu

granic ziarn i dyslokacji.

WYŻARZANIE UJEDNORODNIAJĄCE

Wyżarzanie ujednorodniające polega na nagrzaniu stali do temperatury

1050÷1200°C o ok. 100÷200°C niższej od temperatury solidusu, wygrzaniu długotrwałym w tym zakresie temperatury i następnym studzeniu. Celem tej operacji,

stosowanej głównie dla wlewków stalowych, jest ograniczenie niejednorodności

składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwacją.

WYŻARZANIE REKRYSTALIZUJĄCE

Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego

plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji,

wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z dowolną szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne podczas walcowania lub

ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie

twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie własności plastycznych metalu (porównaj

rozdz. 4.4.2), co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno.

WYŻARZANIE ODPRĘŻAJĄCE

Wyżarzanie odprężające polega na nagrzaniu stali do temperatury niższej od

Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu. Celem tej

operacji jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub

spowodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się

z wprowadzaniem zmian strukturalnych.

Zakres temperatury i czasu wyżarzania odprężającego jest szeroki; parametry

te zależą od rodzaju materiału oraz przyczyn wywołujących naprężenia. W przypadku

odlewów staliwnych temperatura może wynosić ok. 650°C. W temperaturze

do 150°C jest wykonywane odprężanie stabilizujące, które ma na celu zapewnienie

niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Odprężanie samorzutne - tzw. sezonowanie - zachodzi w temperaturze pokojowej, w czasie wynoszącym kilka lub kilkanaście miesięcy, a niekiedy nawet kilka lat.

WYŻARZANIE NORMALIZUJĄCE

Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu stali do temperatury

o 30÷50°C wyższej od Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu

w spokojnym powietrzu. Operacja ta ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury

drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali. Jest stosowana do stali niestopowych konstrukcyjnych i staliwa - często przed dalszą obróbką cieplną - w celu ujednolicenia struktury.

WYŻARZANIE ZUPEŁNE

Wyżarzanie zupełne, stosowane do stali stopowych, polega na nagrzaniu stali

do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac3, Accm (linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu, np. z piecem, w zakresie temperatury między Ac3 i Accm a Ac1. Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu.

Wyżarzanie stabilizujące, polega na doprowadzeniu elementu do temperatury 150°C, wygrzewaniu w tej temperaturze i powolnym schłodzeniu. Jest to proces podobny do odpuszczania niskiego, z tą różnicą, że w tym przypadku wyżarzania stosuje się do niwelowania naprężeń odlewniczych. Wyżarzanie stabilizujące można zastosować przy odlewach narzędzi.

WYŻARZANIE SFEROIDYZUJĄCE / wyżarzanie zmiękczające

Wyżarzanie sferoidyzujące, zwane także zmiękczaniem, polega na nagrzaniu

stali do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, bardzo wolnym

chłodzeniu do temperatury ok. 600°C i następnie dowolnym chłodzeniu do

temperatury otoczenia. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze nieco

wyższej lub nieco niższej od temperatury Ac1 (przy zmianach temperatury w zakresie

} 20°C wokół Ac1), a także z wytrzymaniem izotermicznym poniżej temperatury

Ac1, po uprzednim krótkim wygrzewaniu w temperaturze wyższej od Ac1.

W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego strukturę stali stanowi cementyt

kulkowy, tzw. sferoidyt, w osnowie ferrytu. Struktura taka zapewnia niewielką

twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenie plastyczne

HARTOWNOŚĆ STALI

Hartownością nazywamy podatność stali do utwardzania się w głąb przekroju pod wpływem hartowania. Głębokość zahartowania jest ściśle związana z szybkością krytyczną chłodzenia. Podczas chłodzenia część przekroju od strony powierzchni zahartuje się na martenzyt, gdy szybkość chłodzenia jest większa od szybkości krytycznej (rys.1a,b). Warstwy leżące głębiej, które są oziębiane z szybkością mniejszą od krytycznej, uzyskują budowę nie martenzytyczną lecz strukturę typu perlitycznego. Jeśli natomiast szybkość chłodzenia w środku przekroju pręta będzie większa od szybkości krytycznej ulegnie on zahartowaniu w całym przekroju, tj. na wskroś (rys1c).

V1

<

V2

<

V3 > Vk

Rys.1. Zależność grubości warstwy zahartowanej (zakreskowana) od szybkości chłodzenia V

MIARA HARTOWNOŚCI

Miarą hartowności jest grubość warstwy martenzytycznej na przekroju hartowanego przedmiotu. W praktyce ocenę hartowności przeprowadza się w oparciu o tzw. średnicę krytyczną, tj. przy której po zahartowaniu uzyskuje się w osiowej części przekroju strukturę o określonej zawartości martenzytu, lecz nie mniejszej od 50%. Średnica krytyczna dla danego gatunku stali jest zależna między innymi od rodzaju ośrodka chłodzącego i im wolniej chłodzi ośrodek tym mniejsza jest średnica krytyczna

Stale odznaczające się wysoką hartownością mają grubą warstwę zahartowaną, natomiast stale o niskiej hartowności - cienką warstwę zahartowaną.

HARTOWANIE MARTENZYTYCZNE ZWYKŁE Z CHŁODZENIEM CIĄGŁYM

Podczas hartowania martenzytycznego zwykłego (rys. 4.76a) chłodzenie z temperatury austenityzowania wykonuj się w sposób ciągły z szybkością większą od krytycznej, do temperatury niższej od temperatury Ms, a w przypadku wielu stali, np. konstrukcyjnych, niższej nawet od Mf. W praktyce stale niestopowe chłodzi się w wodzie, natomiast stale stopowe mogą być chłodzone wolniej, np. w oleju, w niektórych przypadkach nawet w powietrzu. Oziębianie może się przy tym odbywać w cieczy spokojnej, w cieczy o wymuszonym obiegu lub z wykorzystaniem

prasy hartowniczej. Ośrodek chłodzący należy dobierać posługując się wykresami

CTPc, tak aby możliwe było ochłodzenie z szybkością większą od krytycznej nie

tylko powierzchni, lecz również środka przekroju hartowanego elementu. W wyniku hartowania zwykłego uzyskuje się strukturę martenzytu z austenitem szczątkowym oraz innymi składnikami strukturalnymi, które nie ulegają przemianom

podczas obróbki cieplnej, np. z węglikami nierozpuszczonymi w roztworze stałym podczas austenityzowania lub wtrąceniami niemetalicznymi. Stale zahartowane charakteryzują się bardzo dużą twardością - powyżej 60÷65 HRC w zależności od stężenia C - i wysokimi pozostałymi własnościami wytrzymałościowymi oraz niskimi własnościami plastycznymi i dużą kruchością.

HARTOWANIE MARTENZYTYCZNE STOPNIOWE

Podczas hartowania martenzytycznego stopniowego (rys. 4.76b,c) chłodzenie

polega na kolejnym: oziębianiu w stopionej soli lub gorącym oleju do temperatury wyższej o 30÷50°C od temperatury Ms, wytrzymaniu w stopionej soli lub gorącym oleju o tej temperaturze, w czasie

niezbędnym do wyrównania temperatury w całym przekroju obrabianego

przedmiotu lecz zapewniającym trwałość austenitu przechłodzonego,

studzeniu, zazwyczaj w powietrzu, do temperatury otoczenia.

Hartowanie w podanych warunkach zapewnia uzyskanie struktury stali takiej

jak po operacji hartowania martenzytycznego zwykłego przy znacznie mniejszych

naprężeniach i odkształceniach cieplnych i strukturalnych.

Hartowanie stopniowe jest stosowane do małych i drobnych przedmiotów ze stali

niestopowych oraz przedmiotów o złożonych kształtach i zmiennych przekrojach.

HARTOWANIE BAINITYCZNE Z PRZEMIANĄ IZOTERMICZNĄ

Podczas hartowania bainitycznego z przemianą izotermiczną (rys. 4.76d), zwanego

również hartowaniem izotermicznym, chłodzenie jest wielozabiegowe i polega

na kolejnym:

oziębianiu austenitu przechłodzonego do temperatury niższej od temperatury

przemiany perlitycznej,

wytrzymaniu izotermicznym w kąpieli chłodzącej, lub innym ośrodku, o temperaturze

wyższej od temperatury Ms, tj. 250÷400°C, w czasie zapewniającym zakończenie

przemiany bainitycznej,

chłodzeniu do temperatury pokojowej z dowolną szybkością, zwykle w spokojnym

powietrzu.

Hartowanie z przemianą izotermiczną zapewnia uzyskanie struktury bainitycznej,

przy znacznym ograniczeniu naprężeń cieplnych i strukturalnych oraz zmniejszeniu

możliwości powstania pęknięć i odkształceń.

Hartowanie izotermiczne jest stosowane w przypadku obróbki cieplnej przedmiotów

o małych przekrojach oraz dużych przedmiotów ze stali wysokostopowych

w czasie obróbki plastycznej na zimno. Jest także prawidłową strukturą stali nadeutektoidalnych

przed następnym hartowaniem.

DEFINICJA I KLASYFIKACJA ODPUSZCZANIA

Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej

od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury pokojowej.

W zależności od temperatury odpuszczanie może być:

niskie,

średnie,

wysokie.

ODPUSZCZANIE NISKIE

Odpuszczanie niskie (odprężające) jest wykonywane w temperaturze

150÷200°C i stosowane głównie dla narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej

operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości,

wytrzymałości i odporności na ścieranie.

ODPUSZCZANIE ŚREDNIE

Odpuszczanie średnie, odbywające się w temperaturze 250÷500°C, jest stosowane

do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn. W wyniku tej operacji

twardość stali ulega wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zostają zachowane

duża wytrzymałość i sprężystość (rys. 4.78).

ODPUSZCZANIE WYSOKIE

Odpuszczanie wysokie, wykonywane w temperaturze wyższej od 500°C, lecz

niższej od Ac1, ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności plastycznych

stali. Stosowane jest między innymi dla elementów maszyn, od których wymagana

jest wysoka granica plastyczności Re.

DEFINICJA OBRÓBKI CIEPLNEJ

Obróbka cieplna jest dziedziną technologii obejmującą zespół zabiegów wywołujących

polepszenie własności mechanicznych i fizyczno-chemicznych metali

i stopów, powodowane zmianami struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury,

czasu oraz działania ośrodka.

RODZAJE OBRÓBKI CIEPLNEJ

Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali

i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:

obróbkę cieplną zwykłą,

obróbkę cieplno-mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno-plastyczną),

obróbkę cieplno-chemiczną,

obróbkę cieplno-magnetyczną.

W przypadku OBRÓBKI CIEPLNEJ ZWYKŁEJ zmiany struktury i własności są spowodowane

głównie zmianami temperatury i czasu.

---