Badanie hartowności stali

*

 

 1. CEL ĆWICZENIA- Celem ćwiczenia jest zbadanie hartowności stali niestopowej i stopowej metodą 

chłodzenia od czoła (tzw. próba Jominy'ego) 

2. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE 

 2.1. Hartowanie stali- Pojęciem hartowania stali określa się skłonność do tworzenia struktury 

martenzytycznej, przy czym za strefę zahartowaną przyjmuje się strefę zawierającą co najmniej 50% 

martenzytu. Twardość strefy o strukturze zawierającej 50% martenzytu, tj. tak zwanej strefy 

półmartenzytycznej, nosi nazwę twardości krytycznej. 

Hartowność łączy się ściśle z szybkością chłodzenia stali od temperatury austenityzacji. Strukturę 

martenzytyczną uzyskuje się przy szybkości chłodzenia większych lub równych szybkości krytycznej, tj. 

najmniejszej szybkości warunkującej tworzenie tylko struktury martenzytycznej. Na rys. 1 przedstawiono 

schematycznie zmianę szybkości chłodzenia na przekroju cylindrycznej próbki stalowej i związaną z tym 

grubość strefy zahartowanej. Rozważając hartowność jako pewną „wrodzoną” zdolność stali do wytwarzania 

przy hartowaniu struktury martenzytycznej można sprecyzować trzy podstawowe czynniki mające wpływ na tę 

hartowność: 



 

skład chemiczny stali, 



 

jednorodność austenitu 



 

wielkość ziarna austenitu 

Węgiel i wszystkie pierwiastki stopowe, z wyjątkiem Co, pod warunkiem że są rozpuszczalne 

w 

austenicie, zwiększają hartowność stali (przesuwając linie wykresu CTP w prawo). Przez dodatek tzw. 

intensyfikatorów, np. boru, tytanu, cyrkonu można dodatkowo wpływać na zwiększenie hartowności. 

największy efekt daje odpowiednie wprowadzenie boru, który już przy przy zawartości 0,002% zwiększa 

głębokość hartowania 1,5÷5 razy. 

 

  

Im większa jednorodność austenitu, tym większa hartowność stali, ponieważ brak jest dodatkowych 

zarodków przyspieszających jego rozkład w zakresie przemian perlitycznych. Niejednorodność austenitu może 

być spowodowana obecnością wtrąceń niemetalicznych (tlenków, azotków itp.) lub węglików. Może być ona 

wywołana również brakiem wyrównania składu chemicznego w objętości ziarn austenitu. Im większe ziarna 

austenitu, tym większa hartowność. Wynika to z faktu zmniejszenia się ilości uprzywilejowanych miejsc 

zarodkowania „struktur dyfuzyjnych”, którymi są między innymi granice ziarn. Struktura gruboziarnista ma 

najmniejszą sumaryczną powierzchnię ziarn w stosunku do struktury drobnoziarnistej i stąd im grubsze ziarna 

austenitu, tym bardziej linie wykresu CTP przesunięte są w prawo. Oprócz omówionych czynników na grubość 

warstwy zahartow

anej mają wpływ warunki realizowania obróbki cieplnej, temperatury nagrzewania, sposobu 

grzania, rodzaju ośrodka chłodzącego (szybkość chłodzenia) oraz wielkość przedmiotu i stan jego powierzchni. 

Przy ocenie hartowności stali wprowadzono pojęcie średnicy krytycznej (D

k

). Średnica krytyczna jest średnicą 

największego przekroju próbki stalowej hartującej się na wskroś w danym ośrodku chłodzącym. Wielkość 

średnicy krytycznej dla danego gatunku stali wiąże się z rodzajem ośrodka chłodzącego (powietrze, olej, 

w

oda). Aby wyłączyć wpływ sposobu chłodzenia na hartowność, wprowadzono pojęcie idealnej średnicy 

krytycznej (

DĄ). Jest to średnica największego przekroju hartującego się na wskroś w idealnej kąpieli 

hartowniczej, odbierającej ciepło z nieskończenie dużą szybkością. Oddawanie ciepła przez element hartowny 

uzależnione jest w tym przypadku od jego przewodności cieplnej. 

  

2.2. Metody badania hartowność 

  

Istnieją zasadnicze metody badania hartowności: 



 

obserwacja przełomu, 



 

metoda krzywych U, 



 

próba hartowania od czoła (próba Jominy'ego) 

Obserwacja przełomu jest metodą warsztatową badania hartowności. Przy przełamaniu zahartowanego 

pręta część zahartowana ma przełom jedwabisty, matowy, natomiast część nie zahartowana jest błyszcząca. 

Metodę tę stosuje się do badania stali narzędziowych. 

Metoda krzywych U 

polega na pomiarze twardości na przekroju zahartowanej próbki o kształcie walca. 

Próbka musi mieć wystarczającą długość, aby można było pominąć wpływ chłodzenia od powierzchni 

czołowych. Po zahartowaniu próbki i wycięciu z jej części środkowej krążka, mierzy się twardości (HRC) na 

przekroju poprzecznym wzdłuż średnicy w dwóch prostopadłych kierunkach. Na wykresie rozkład twardości na 

przekroju próbki nie zahartowanej na wskroś przypomina liter U, jak to przedstawia rys. 2. Znając wartość 

twa

rdości krytycznej dla danego gatunku stali można rozgraniczyć strefę zahartowaną od nie zahartowanej 

i 

określić grubość strefy zahartowanej. 

 

  

2.3. Badanie hartowności metodą chłodzenia od czoła 

  

Badanie hartowności metodą od czoła, czyli próbą Jominy'ego, przeprowadza się opierając się na normie 

PN-79/H-

04402. Metodę tę stosuje się celem określenia hartowności stali konstrukcyjnych, węglowych 

i 

stopowych nie hartujących się w powietrzu. Badanie przeprowadza się na próbce znormalizowanej o 

wymiarach podanych na rys. 3. 

 

  

Próbkę wykonaną z badanego gatunku stali wkładamy do pieca elektrycznego nagrzanego do 

temperatury A

c3

÷A

c1

+(30÷50 ºC). Dla stali węglowej temperaturę A

c3

 ustalamy z 

układu równowagi Fe-Fe

3

C. 

Aby w 

czasie nagrzewania zabezpieczyć próbkę przed odwęgleniem, wkładamy ją do metalowego pudełka 

i 

obsypujemy opiłkami żeliwa. Głowa próbki powinna nieco wystawać z opiłek. W stalach niskowęglowych nie 

zauważono wyraźnych skutków odwęglenia i dlatego wyżej opisane zabezpieczenie jest czasem pomijane. 

Wygrzewanie próbki w piecu elektrycznym powinno trwać około 45 minut. Po upływie tego czasu należy 

chwycić kleszczami główkę próbki, wyjąć z pieca i wstawić do uchwytu aparatu Jominy'ego. Schemat aparatu 

Jominy'ego przedstawiono na rys. 4. 

 

  

Po wstawieniu próbki do uchwytu aparatu i odsunięciu przesłony dyszy wodnej czoło próbki jest 

intensywnie chłodzone wodą. Czas zużyty na wyjęcie próbki z pieca i wstawienie do aparatu nie powinien 

przekraczać 5 sekund. Próbki należy chłodzić co najmniej 10 minut. Po ostygnięciu próbki szlifujemy wzdłuż 

dwu przeciwległych tworzących, zdejmując z każdej strony warstwę około 0,4 mm. W czasie szlifowania należy 

próbkę intensywnie chłodzić. Na oszlifowanych powierzchniach wykonujemy pomiary twardości aparatem 

Ro

ckwella (HRC), na długości 20÷50 mm w odległościach co 2 mm od czoła próbki. Przedstawiwszy graficznie 

otrzymywane wyniki stwierdzamy, że w miarę zwiększania się odległości od czoła następuje łagodne 

zmniejszenie się twardości stali hartującej się głęboko (stal stopowa) oraz wyraźny spadek twardości stali 

płytko hartującej się (stal węglowa), jak to podano przykładowo na rys. 3 

Celem wyznaczenia odległości od czoła, na której próbka uległa zahartowaniu (osiągnęła twardość 

krytyczną H

k

), należy wpierw z wykresu przedstawionego na rys. 5 odczytać twardość krytyczną dla danego 

gatunku stali. Opieramy to na praktycznym założeniu, że twardość martenzytu (a także strefy 

półmartenzytycznej) zależy od zawartości węgla. Znając twardość krytyczną badanej stali wyznaczamy z rys. 6 

odległość krytyczną l

k

 w 

mm. Dla określenia średnicy krytycznej badanej stali przy hartowaniu w wodzie 

o 

temperaturze 10÷25 ºC i w oleju o temperaturze 15÷70 ºC można posłużyć się wykresem przedstawionym na 

rys. 6. 

 

  

Z próby Jominy'ego można więc odczytać: 



 

maksymalną twardość stali 



 

charakter zmian twardości, a więc po odpowiednim przeliczeniu inne własności mechaniczne, 



 

średnicę krytyczną w danym ośrodku chłodzącym oraz za pomocą odpowiednich monogramów idealną 

średnicę krytyczną. 

 

  

Krzywe hartowności otrzymane z próby Jominy'ego mogą się trochę różnić dla poszczególnych wytopów 

stali tego samego gatunku, a 

nawet dla próbek pochodzących z różnych części wlewka. Wynika to 

z 

dopuszczalnych wahań składu chemicznego, jednakowej wielkości ziarna i innych czynników. Na podstawie 

masowych badań różnych części wlewków otrzymuje się wiele punktów, które wykazują pewien rozrzut 

twardości. Jeżeli punkty te ograniczyć obustronnie liniami, to powstanie tak zwane pasmo hartowności danej 

stali, określające możliwe wahanie hartowności stali danego gatunku. Na rys. 7 przedstawiono pasmo 

hartowności dla wybranych stali. 

 

  

3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA 

  

Dwie próbki do badań hartowności (rys. 3): ze stali niestopowej 40 i stali stopowej 40H, piec elektryczny, 

urządzenie do badania hartowności (rys. 4), twardościomierz typu Rockwella. 

  

4. PRZEBIEG ĆWICZENIA 

  

Ćwiczenie polega na określeniu hartowności metodą chłodzenia czołowego stali 40 i 40H wg zasad 

przedstawionych w 

punkcie 2.3. Po zahartowaniu próbki i odpowiednim przeszlifowaniu ich pobocznic należy 

przeprowadzić pomiar twardościomierzem Rockwella (HRC). Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów 

należy narysować krzywe hartowności oraz określić odległości krytyczne, a następnie średnice obu gatunków 

stali przy chłodzeniu w wodzie i oleju. 

  

\