291

Opracowa³a: Anna Rutkowska

Æwiczenie 35

OBRÓBKA CIEPLNA STALI

1. CEL ÆWICZENIA

Celem æwiczenia jest zbadanie wp³ywu obróbki cieplnej na w³aœciwoœci mecha-

niczne niestopowych stali konstrukcyjnych.

2. WIADOMOŒCI PODSTAWOWE

2.1. Pojêcia ogólne

Obróbka cieplna jest to proces technologiczny, w wyniku którego zmienia siê

w³aœciwoœci mechaniczne i fizykochemiczne metali i stopów w stanie sta³ym, przede

wszystkim przez wywo³anie zmian strukturalnych, zawsze w wyniku dzia³ania tempe-

ratury i czasu, a ponadto bardzo czêsto œrodowiska oraz – rzadziej – pola magnetycz-

nego lub odkszta³cenia plastycznego.

Proces technologiczny obróbki cieplnej jest to podstawowa czêœæ procesu

produkcyjnego, podczas którego nastêpuje zmiana w³aœciwoœci fizycznych, chemicz-

nych i inny obrabianego cieplnie wsadu.

Operacja obróbki cieplnej jest to czêœæ procesu technologicznego obróbki cieplnej

wykonywana w sposób ci¹g³y na jednym stanowisku obróbki cieplnej i na jednym

wsadzie np. hartowanie, wy¿arzanie itp.

Zabieg obróbki cieplnej jest to czêœæ operacji obróbki cieplnej. Zasadniczymi za-

biegami obróbki cieplnej s¹:

– nagrzewanie, tj. ci¹g³e lub stopniowe podwy¿szanie temperatury,

– wygrzewanie, tj. wytrzymanie w temperaturze poœredniej lub docelowej (np. au-

stenityzowanie),

– ch³odzenie, tj. ci¹g³e lub stopniowe obni¿anie temperatury, które mo¿e byæ przepro-

wadzone z ma³¹ szybkoœci¹ (studzenie) lub du¿¹ (oziêbianie),

– wych³adzanie, tj. wytrzymanie w poœredniej lub docelowej temperaturze ch³odzenia.

Znaczenie wy¿ej wymienionych zabiegów obróbki cieplnej oraz pojêæ pochodnych

wyjaœniono za pomoc¹ schematycznego rysunku przedstawionego w uk³adzie wspó³-

rzêdnych temperatura – czas (rys. 35.1).

292

2.2. Podstawowe wykresy dla obróbki cieplnej stopów ¿elaza

Podstaw¹ poszczególnych operacji obróbki cieplnej stopów ¿elaza s¹: uk³ad rów-

nowagi Fe-Fe

3

C (rys. 35.2) i wykres przemiany austenitu w warunkach izotermicz-

nych (CTPi) oraz przy ch³odzeniu ci¹g³ym (CTPc). Typowy wykres CTPc dla stali

podeutektoidalnej gatunku C45 (45) przedstawiono na rys. 35.3.
Temperatury krytyczne dla stali oznacza siê liter¹ „A” z indeksem cyfrowym:
A

0

– temperatura przemiany magnetycznej cementytu (210°C),

A

1

– temperatura przemiany eutektoidalnej (727°C – linia PSK),

A

2

– temperatura przemiany magnetycznej ¿elaza a i ferrytu (770°C – linia MO),

A

3

– temperatura równowagi austenitu z ferrytem (linia GOS),

A

4

– temperatura równowagi austenitu z ferrytem (linia NJ),

A

cm

– temperatura równowagi austenitu z cementytem wtórnym (linia SE).

te

m

per

at

ur

a

czas

wymra¿anie

nagrzewanie

Operacja: np. ADEK lub ABCDEFGHJ

Zabieg: np. AB, DE, EK, LM

oziêbianie

ch³odzenie

ci¹g³e

ch³odzenie:

stopniowe

grzanie

stopniowe

grzanie

ci¹g³e

studzenie

grzanie

ch³odzenie

nagrzewanie

podch³adzanie

podgrzewanie

wych³adzanie

wygrze-

wanie

dogrze-

wanie

wygrze-

wanie

wych³a-

dzanie

doch³a-

dzanie

Rys. 35.1. Schemat wyjaœniaj¹cy znaczenie pojêæ operacji i zabiegów obróbki cieplnej

293

700

800

900

912

1000

1100

1200

1300

1400

1394

1500

1538

1600

600

G

A

B

N

ferryt

ferryt

M

770°C
O

P

S

tem

per

at

ur

a,

 °C

E

C

D

F

K

L

727°C

ferryt + cementyt trzeciorzêdowy

Fe3C, %

1

0,8

2

3

4 4,3

5

6

7

0

C, %

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

cementyt + pierwotny

ledeburyt

austenit + cementyt wtórny

ledeburyt

cementyt pierwotny

+ ledeburyt przemieniony

perlit + cementyt wtórny

+ ledeburyt przemieniony

le

de

bu

ry

t

cementyt

wtórny + perlit

austenit +

cementyt wtórny

roztwór ciek³y 

+ austenit

austenit

1148°C

austenit 

+ ferryt

pe

rli

t

ferryt

+ perlit

roztwór ciek³y

+ cementyt pierwotny

roztwór ciek³y

roztwór ciek³y

+ ferryt

ferryt

+ austenit

H

J

Rys. 35.2. Wykres równowagi uk³adu stabilnego ¿elazo-wêgiel (linie kreskowe) i metastabilnego ¿elazo-cementyt linie ci¹g³e)

294

Rys. 35.3.

Wykres przemian austenitu przy ch³odzeniu

ci¹g³ym dla stali podeutektoidalnych (CTPc)

gat. C45 (45)

czas

te

m

per

at

ur

a

A

A1

A2

przebieg ch³odzenia

Mf

Ms

A   B

A   M

A   P

A   F

1. martenzyt

2. bainit+martenzyt

3. ferryt+bainit+martenzyt

4. ferryt+perlit+bainit+(martenzyt)

5. ferryt+perlit

1

2

3

4

5

Przy znaku temperatury krytycznej dodajemy wskaŸnik c (przy nagrzewaniu) lub

wskaŸnik r (przy ch³odzeniu), np.:
Ac

1

– temperatura przemiany perlitu w austenit,

Ac

3

– temperatura koñca przemiany ferrytu w austenit przy nagrzewaniu,

Ar

3

– temperatura pocz¹tku wydzielania ferrytu z austenitu itp.,

Ar

1

– temperatura przemiany austenitu w perlit.

Ponadto:
Ms – temperatura pocz¹tku przemiany martenzytycznej,

Mf – temperatura koñca przemiany martenzytycznej.

Do podstawowych przemian zachodz¹cych w stopach ¿elazo-wêgiel podczas ch³o-

dzenia nale¿¹: przemiana perlityczna, bainityczna i martenzytyczna.

2.3. Wa¿niejsze operacje obróbki cieplnej

2.3.1. Wy¿arzanie

Wy¿arzanie jest to nagrzewanie do okreœlonej temperatury, wygrzewanie w tej

temperaturze i ch³odzenie z szybkoœciami pozwalaj¹cymi na uzyskanie struktury bar-

dziej zbli¿onej do stanu równowagi.

Rozró¿niamy:

– wy¿arzanie ujednorodniaj¹ce (ujednorodnienie, homogenizowanie),

– wy¿arzanie zupe³ne,

– wy¿arzanie normalizuj¹ce (normalizowanie),

– wy¿arzanie niezupe³ne,

– wy¿arzanie sferoidyzuj¹ce (sferoidyzowanie),

295

zawartoœæ wêgla [%]

0,2

0

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

100

200

300

400

500

600

700

800

900

910

1000

te

m

pe

rat

ur

a [

°C

]

odpuszczanie niskie

odpuszczanie wysokie

odpuszczanie œrednie

hartowanie

Acm

E

K

P

G

A1

A3

S

723°C

A1,2,3

Rys. 35.4. 

Zakres temperatur hartowania i od-

puszczania (stali niestopowej) na tle

wykresu ¿elazo – wêgiel

– wy¿arzanie zmiêkczaj¹ce,

– wy¿arzanie izotermiczne,

– wy¿arzanie grafityzuj¹ce (grafityzowanie),

– wy¿arzanie przegrzewaj¹ce (przegrzewanie),

– wy¿arzanie rekrystalizuj¹ce (rekrystalizowanie),

– wy¿arzanie odprê¿aj¹ce (odprê¿anie),

– stabilizowanie.

2.3.2. Hartowanie

Hartowanie jest to austenityzowanie i nastêpne oziêbianie z szybkoœci¹ umo¿li-

wiaj¹c¹ uzyskanie struktury martenzytycznej lub bainitycznej (rys. 35.4). Mówi siê

wówczas o hartowaniu martenzytycznym lub bainitycznym.

W przypadku hartowania martenzytycznego

, w zale¿noœci od sposobu oziêbia-

nia, rozró¿nia siê hartowanie:

– zwyk³e (oziêbianie ci¹g³e w oœrodku o temperaturze ni¿szej od Ms),

– stopniowe (pierwszy stopieñ oziêbiania do temperatury wy¿szej od Ms w czasie

niezbêdnym do oziêbienia ca³ego przekroju, lecz nie d³u¿szym od czasu trwa³oœci

austenitu; drugi stopieñ oziêbiania do temperatury otoczenia w powietrzu).

296

W przypadku hartowania bainitycznego w zale¿noœci od sposobu oziêbiania roz-

ró¿nia siê hartowanie:

– zwyk³e (z oziêbianiem ci¹g³ym),

– z przemian¹ izotermiczn¹ (z oziêbianiem w k¹pieli o temperaturze wy¿szej od Ms

i wytrzymaniu w czasie do ca³kowitego ukoñczenia przemiany bainitycznej).

Hartowanie objêtoœciowe jest to hartowanie, w którym austenityzowanie obej-

muje ca³¹ objêtoœæ przedmiotu, zaœ gruboœæ warstwy zahartowanej jest zale¿na od

hartownoœci materia³u i szybkoœci ch³odzenia.

Hartowanie powierzchniowe jest to hartowanie z szybkim nagrzewaniem (in-

dukcyjnym, p³omiennym lub k¹pielowym) tylko wierzchniej warstwy materia³ów.

Odkszta³cenia i pêkniêcia przy hartowaniu s¹ wynikiem nierównomiernych zmian

objêtoœci metalu na przekrojach hartowanych elementów. Wynikaj¹ one ze skurczu

cieplnego, wywo³anego ch³odzeniem oraz ze zmian objêtoœci w³aœciwej, zwi¹zanych

z przemianami strukturalnymi (austenit posiada najmniejsz¹ objêtoœæ w³aœciw¹, a mar-

tenzyt najwiêksz¹). Zmiany objêtoœci przy przemianie martenzytycznej wynosz¹

0,5 ¸ 1,5% (zale¿nie od zawartoœci wêgla w stali); zachodz¹ one z du¿¹ szybkoœci¹

i s¹ g³ównym powodem odkszta³ceñ i naprê¿eñ hartowniczych.

2.3.3. Odpuszczanie

Odpuszczanie jest to grzanie uprzednio zahartowanego przedmiotu do tempera-

tury ni¿szej od Ac

1

 i ch³odzenie w celu zmiany struktury, w³aœciwoœci stali zahartowa-

nej i zmniejszenia naprê¿eñ hartowniczych. W zale¿noœci od zakresu temperatur roz-

ró¿nia siê odpuszczanie (rys. 35.4):

– niskie w zakresie ok.

150° ¸ 250°C,

– œrednie w zakresie ok. 250° ¸ 500°C,

– wysokie w zakresie ok. 500° ¸  Ac

1

.

2.3.4. Ulepszanie cieplne

Ulepszenie cieplne jest to po³¹czenie operacji hartowania i wysokiego lub œred-

niego odpuszczania.

Na rys. 35.5 przedstawiono w³aœciwoœci mechaniczne stali gatunku C40 (40) w za-

le¿noœci od temperatury odpuszczania.

2.3.5. Utwardzanie wydzieleniowe

Utwardzanie wydzieleniowe (dyspersyjne) jest to po³¹czenie operacji przesyca-

nia i starzenia.

Przesycenie jest to nagrzewanie do temperatury rozpuszczania siê faz i nastêpnie

oziêbianie w celu otrzymania przy temperaturze pokojowej metastabilnego roztworu

sta³ego.

297

HB

A

Re

Re

Re

Re

Z

Rm

Rm

Rm

Rm

A

Z

Z

Z

A

A

HB

300

400

500

600

700

temperatura

odpuszczania

stan

wy¿arzony

stan

hartowany

100

0

200

300

400

500

1200

62,5

37,5

12,5

50

25

0

1000

800

600

400

200

HB

MPa

%

Rys. 35.5. 

Wp³yw temperatury odpuszczania na w³a-

œciwoœci mechaniczne stali gat. C40 (40)

Starzenie jest to wygrzanie przy temperaturze pokojowej lub przy innej tempera-

turze ni¿szej od temperatury rozpuszczania w celu wydzielenia faz z przesyconego

roztworu sta³ego o odpowiednim stopniu dyspersji.

Rozró¿nia siê: starzenie naturalne – w temperaturze otoczenia oraz sztuczne

(przyspieszone) – w temperaturze podwy¿szonej.

Utwardzanie wydzieleniowe (dyspersyjne) jest to po³¹czenie operacji przesyca-

nia i starzenia.

3. MATERIA£Y I URZ¥DZENIA

Piec elektryczny muflowy typu PEM-1, piec elektryczny muflowy typu PEM-2,

twardoœciomierz Rockwella, zbiornik z wod¹, zbiornik z olejem, kleszcze kowalskie,

rêkawice ochronne, papier œcierny, m³ot do badania udarnoœci typu Charpy, mikroskop

steroskopowy, próbki do badania udarnoœci ze stali gat. C45 (45) (5 sztuk).

4. PRZEBIEG ÆWICZENIA

Na podstawie wykresu Fe-Fe

3

C nale¿y ustaliæ temperaturê hartowania i normali-

zowania stali gatunku C45 (45). Po nagrzaniu pieca do tej¿e temperatury, wk³ada siê

próbki i wygrzewa oko³o 10 ¸ 12 min. Nastêpnie jedn¹ z nich oziêbia w oleju, trzy

w wodzie, a jedn¹ ch³odzi w powietrzu. Po ca³kowitym och³odzeniu i oziêbieniu próbki

szlifuje siê z dwóch przeciwnych stron na papierach œciernych, po czym przeprowa-

dza siê pomiar twardoœci wszystkich próbek metod¹ Rockwella. Jedn¹ z próbek za-

hartowanych w wodzie odpuszcza siê w piecu przy temperaturze ok. 200°C, a drug¹

298

przy temperaturze 600°C i ponownie mierzy siê twardoœæ obu tych próbek. Po pomia-

rach twardoœci przeprowadza siê badanie udarnoœci wszystkich próbek oraz obser-

wacjê prze³omu na mikroskopie celem okreœlenia charakteru prze³omu.

5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA

Sprawozdanie winno zawieraæ:

1. krótki opis przebiegu æwiczenia,

2. wykreœlne przedstawienie w uk³adzie temperatura – czas przeprowadzonych ope-

racji cieplnych,

3. uzasadnienie doboru temperatury austenityzowania przy hartowaniu i normalizo-

waniu (w oparciu o uk³ad Fe-Fe

3

C),

4. wykres zale¿noœci w³aœciwoœci mechanicznych badanej stali od temperatury od-

puszczania,

5. tabelaryczne ujêcie wyników pomiarów twardoœci (HRC, HB i HV), udarnoœci

oraz wytrzyma³oœci na rozci¹ganie (obliczonej orientacyjnie z wyników pomiaru

twardoœci),

6. ocena budowy strukturalnej badanej stali po ca³kowitej obróbce cieplnej w formie

tabelarycznej,

7. wnioski.

6. LITERATURA

[1] Dobrzañski L. i inni: Metaloznawstwo i obróbka cieplna materia³ów narzê-

dziowych. WNT, Warszawa 1990.

[2] Poradnik in¿yniera: Obróbka cieplna stopów ¿elaza. WNT, Warszawa 1977.

[3] Polska norma: S³ownik terminów obróbki cieplnej stopów ¿elaza. PN-EN 10052:

1993.

[4] Rudnik S.:  Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1994.

[5] Staub F. i inni: Metaloznawstwo. „Œl¹sk”, Katowice 1973.

[6] Rutkowska A.: Techniki wytwarzania. T. II. Wybrane zagadnienia z obróbki

cieplnej i cieplno – chemicznej. WPK, Kraków 1998.