36

299

Opracowa³: Stanis³aw Rudnik

Æwiczenie 36

BADANIE HARTOWNOCI STALI

1. CEL ÆWICZENIA

Celem æwiczenia jest zbadanie hartownoci stali niestopowej i stopowej metod¹

ch³odzenia od czo³a (tzw. próba Jominyego).

2. WIADOMOCI PODSTAWOWE

2.1. Hartownoæ stali

Pojêciem hartownoci okrela siê sk³onnoæ stali do tworzenia struktury martenzy-

tycznej, przy czym za strefê zahartowan¹ przyjmuje siê strefê zawieraj¹c¹ co naj-

mniej 50% martenzytu. Twardoæ strefy o strukturze zawieraj¹cej 50% martenzytu,

tj. tak zwanej strefy pó³martenzytycznej nosi nazwê twardoci krytycznej.

Hartownoæ ³¹czy siê cile z szybkoci¹ ch³odzenia stali od temperatury austeni-

tyzacji. Strukturê martenzytyczn¹ uzyskuje siê przy szybkociach ch³odzenia wiêk-

szych lub równych szybkoci krytycznej, tj. najmniejszej szybkoci warunkuj¹cej two-

rzenie tylko struktury martenzytycznej. Na rys. 36.1 przedstawiono schematycznie

zmianê szybkoci ch³odzenia na przekroju cylindrycznej próbki stalowej i zwi¹zan¹

z tym gruboæ strefy zahartowanej. Rozwa¿aj¹c hartownoæ jako pewn¹ wrodzon¹

zdolnoæ stali do wytwarzania przy hartowaniu struktury martenzytycznej mo¿na spre-

cyzowaæ trzy podstawowe czynniki maj¹ce wp³yw na hartownoæ:

1) sk³ad chemiczny stali,

2) jednorodnoæ austenitu,

3) wielkoæ ziarna austenitu.

Wêgiel i wszystkie pierwiastki stopowe, z wyj¹tkiem Co, pod warunkiem ¿e s¹

rozpuszczone w austenicie, zwiêkszaj¹ hartownoæ stali (przesuwaj¹ linie wykresu

CTP w prawo). Przez dodatek tzw. intensyfikatorów, np. boru, tytanu, cyrkonu mo¿na

dodatkowo wp³ywaæ na zwiêkszenie hartownoci. Najwiêkszy efekt daje odpowied-

nie wprowadzenie boru, który ju¿ przy zawartociach 0,002% zwiêksza g³êbokoæ

hartowania 1,5 - 5 razy.

300

Im wiêksza jednorodnoæ austenitu, tym wiêksza hartownoæ stali, poniewa¿ brak

jest dodatkowych zarodków przyspieszaj¹cych rozk³ad austenitu w zakresie przemian

perlitycznych. Niejednorodnoæ austenitu mo¿e byæ spowodowana obecnoci¹ wtr¹-

ceñ niemetalicznych (tlenki, azotki itp.) lub wêglików. Niejednorodnoæ mo¿e byæ po-

wodowana równie¿ brakiem wyrównania sk³adu chemicznego w objêtoci ziarn au-

stenitu. Im wiêksze ziarno austenitu, tym wiêksza hartownoæ. Wynika to z faktu

zmniejszania siê iloci uprzywilejowanych miejsc zarodkowania struktur dyfuzyjnych,

którymi s¹ miêdzy innymi granice ziarn. Struktura gruboziarnista ma najmniejsz¹ su-

maryczn¹ powierzchniê ziarn w stosunku do struktury drobnoziarnistej i st¹d im grub-

sze ziarno austenitu, tym bardziej linie wykresu CTP przesuniête s¹ w prawo. Oprócz

omówionych czynników, na gruboæ warstwy zahartowanej maj¹ wp³yw warunki re-

alizowania obróbki cieplnej, temperatura nagrzania, sposób grzania, rodzaj orodka

ch³odz¹cego (szybkoæ ch³odzenia) oraz wielkoæ przedmiotu i stan jego powierzchni.

Przy ocenie hartownoci stali wprowadzono pojêcie rednicy krytycznej (D

). redni-

ca krytyczna jest rednic¹ najwiêkszego przekroju próbki stalowej hartuj¹cej siê na

wskro w danym orodku ch³odz¹cym. Wielkoæ rednicy krytycznej dla danego ga-

tunku stali wi¹¿e siê cile z rodzajem orodka ch³odz¹cego (powietrze, olej, woda).

Aby wy³¹czyæ wp³yw sposobu ch³odzenia na hartownoæ, wprowadzono pojêcie ide-

alnej rednicy krytycznej (oznaczonej D¥). Jest to rednica najwiêkszego przekroju

hartuj¹cego siê na wskro w idealnej k¹pieli hartowniczej, odbieraj¹cej ciep³o z nie-

skoñczenie du¿¹ szybkoci¹. Oddawanie ciep³a przez element hartowany uzale¿nione

jest w tym przypadku od jego przewodnoci cieplnej.

rodek

1/2r

rat

czas

powierzchnia

rodek

Vkr

V ch

³o

1. strefa zahartowana

2. strefa niezahartowana

Rys. 36.1.

Schematy przedstawiaj¹ce zmianê szybkoci ch³odzenia na przekroju próbki i zwi¹zan¹ z tym g³êbo-

koæ hartowania

301

2.2. Metody badania hartownoci

Istniej¹ zasadnicze metody badania hartownoci:

1) obserwacja prze³omu,

2) metoda krzywych U,

3) próba hartowania od czo³a (próba Jominyego).

Obserwacja prze³omu jest metod¹ warsztatow¹ ba-

dania hartownoci. Po prze³amaniu zahartowanego prê-

ta czêæ zahartowana ma prze³om jedwabisty, mato-

wy, natomiast czêæ nie zahartowana jest b³yszcz¹ca.

Metodê tê stosuje siê do badania hartownoci stali

narzêdziowych.

Metoda krzywych U polega na pomiarze twardo-

ci na przekroju zahartowanej próbki o kszta³cie cylin-

drycznym. Próbka musi mieæ wystarczaj¹c¹ d³ugoæ,

aby mo¿na by³o pomin¹æ wp³yw ch³odzenia od po-

wierzchni czo³owych. Po zahartowaniu próbki i wy-

ci¹gniêciu z jej czêci rodkowej kr¹¿ka, mierzy siê

twardoæ (HRC) na przekroju poprzecznym wzd³u¿

rednicy w dwóch prostopad³ych kierunkach. Na wykresie rozk³ad twardoci na prze-

kroju próbki nie zahartowanej na wskro (przypomina literê U, jak to przedstawia

rys. 36.2. Znaj¹c wartoæ twardoci krytycznej dla danego gatunku stali mo¿na roz-

graniczyæ strefê zahartowan¹ od nie zahartowanej i okreliæ gruboæ strefy zaharto-

wanej.

2.3. Badanie hartownoci metod¹ ch³odzenia od czo³a

Badanie hartownoci metod¹ od czo³a, czyli prób¹ Jominyego, przeprowadza siê

w oparciu o normê PN-79/H-04402. Metodê tê stosuje siê celem okrelenia hartow-

noci stali konstrukcyjnych, wêglowych i stopowych nie hartuj¹cych siê w powietrzu.

Badanie przeprowadza siê na próbce znormalizowanej o wymiarach podanych na

rys. 36.3.

Próbkê wykonan¹ z badanego gatunku stali wk³adamy do pieca elektrycznego

nagrzanego do temperatury Ac

+ (30-50°C). Dla stali wêglowej temperaturê

ustalamy z uk³adu równowagi Fe-Fe

C. Aby w czasie nagrzewania zabezpieczyæ

próbkê przed odwêgleniem, wk³adamy j¹ do metalowego pude³ka i obsypujemy opi³-

kami ¿eliwnymi. G³owa próbki powinna nieco wystawaæ z opi³ek. W stalach niskowê-

glowych nie zauwa¿ono wyranych skutków odwêglenia i dlatego wy¿ej opisane za-

bezpieczenie jest czasem pomijane. Wygrzewanie próbki w piecu elektrycznym powinno

trwaæ oko³o 45 minut. Po up³ywie tego czasu nale¿y chwyciæ kleszczami za g³ówkê

Rys. 36.2.

Rozk³ad twardoci na przekroju

zahartowanej próbki

ryt

ycz

302

próbki, wyj¹æ z pieca i wstawiæ do uchwytu aparatu Jominyego. Schemat aparatu

Jominyego przedstawiono na rys. 36.4.

Po wstawieniu próbki do uchwytu aparatu i odsuniêciu przes³ony dyszy wodnej,

czo³o próbki jest intensywnie ch³odzone wod¹. Czas zu¿yty na wyjêcie próbki z pie-

ca i wstawienie do aparatu nie powinien przekraczaæ 5 sekund. Próbki nale¿y ch³o-

dziæ co najmniej 10 minut. Po ostygniêciu próbkê szlifujemy wzd³u¿ dwu przeciwle-

g³ych tworz¹cych, zdejmuj¹c z ka¿dej strony warstwê ok. 0,4 mm. W czasie szlifowania

nale¿y próbkê intensywnie ch³odziæ. Na oszlifowanych powierzchniach wykonujemy

pomiary twardoci aparatem Rockwella (HRC), na d³ugoci 20-50 mm w odstêpach co

æ H

100

30 40 50

70 80 90

odleg³oæ od hartowanego koñca próbki, mm

Rys. 36.3. Wymiary próbki do badañ hartownoci od czo³a wg PN-79/H-04402

H2O

Rys. 36.4. Schemat aparatu do próby hartowania od czo³a (PN-79/H-04402)

303

2 mm od czo³a próbki. Przedstawiwszy graficznie otrzymane wyniki, stwierdzamy w mia-

rê zwiêkszania odleg³oci od czo³a ³agodne zmniejszenie siê twardoci stali hartuj¹cej

siê g³êboko (stal stopowa) oraz wyrany spadek twardoci stali p³ytko hartuj¹cej siê

(stal wêglowa), jak to podano przyk³adowo na rys. 36.3.

Celem wyznaczenia odleg³oci od czo³a, na której próbka uleg³a zahartowaniu (osi¹-

gnê³a twardoæ krytyczn¹ H

), nale¿y wpierw z wykresu przedstawionego na rys. 36.5.

odczytaæ twardoæ krytyczn¹ dla danego gatunku stali. Opieramy to na praktycznym

za³o¿eniu, ¿e twardoæ martenzytu (a tak¿e strefy pó³martenzytycznej) zale¿y od za-

wartoci wêgla. Znaj¹c twardoæ krytyczn¹ badanej stali wyznaczamy z rys. 36.6

odleg³oæ krytyczn¹ l

w mm. Dla okrelenia rednicy krytycznej badanej stali przy

hartowaniu w wodzie o temp. 10-25°C i w oleju o temp. 15-70°C mo¿na pos³u¿yæ siê

wykresem przedstawionym na rys. 36.6.

Z próby Jominyego mo¿na wiêc odczytaæ:

1) maksymaln¹ twardoæ stali,

2) charakter zmian twardoci, a wiêc po odpowiednim przeliczeniu inne w³asnoci

mechaniczne,

3) rednicê krytyczn¹ w danym orodku ch³odz¹cym oraz za pomoc¹ odpowiednich

monogramów idealn¹ rednicê krytyczn¹.

0,20

0,10

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

zawartoæ wêgla, %

æ H

A B

stale niskostopowe

A - 99,9%

B - 95%

C - 90%

D - 80%

E - 50%

stale wêglowe

F - 50%

% ma

rte

ytu

Rys. 36.5.

Twardoæ stali zahartowanej w zale¿noci od zawartoci wêgla i procentu

martenzytu w strukturze wg PN-79/H-04402

304

Krzywe hartownoci otrzymane z próby Jominyego mog¹ siê trochê ró¿niæ dla

poszczególnych wytopów stali tego samego gatunku, a nawet dla próbek pochodz¹-

cych z ró¿nych czêci wlewka. Wynika to z dopuszczalnych wahañ sk³adu chemicz-

lk, mm

100

120

140

k, m

Rys. 36.6. Zale¿noæ wartoci rednicy krytycznej od d³ugoci krytycznej wg PN-79/H-04402

twa

rdo

HRC

odleg³oæ od ch³odzonego czo³a, mm

40H

12HN3A

18HGM

18HGT

Rys. 36.6. Pasmo hartownoci dla wybranych stali

305

nego, niejednakowej wielkoci ziarna i innych czynników. Na podstawie masowych

badañ ró¿nych czêci wlewków otrzymuje siê wiele punktów, które wykazuj¹ oczywi-

cie pewien rozrzut twardoci. Je¿eli punkty te ograniczyæ obustronnie liniami, to po-

wstanie tzw. pasmo hartownoci danej stali, okrelaj¹ce mo¿liwe wahania hartowno-

ci stali danego gatunku. Na rys. 36.7. przedstawiono pasmo hartownoci dla wybranych

stali.

3. MATERIA£Y I URZ¥DZENIA

Dwie próbki do badania hartownoci (rys. 36.3): ze stali niestopowej 40 i stali

stopowej 40H, piec elektryczny, urz¹dzenie do badania hartownoci (rys. 36.4), twar-

dociomierz typu Rockwella.

4. PRZEBIEG ÆWICZENIA

Æwiczenie polega na okreleniu hartownoci metod¹ ch³odzenia czo³owego stali

40 i 40H wg zasad przedstawionych w punkcie 2.3. Po zahartowaniu próbek i odpo-

wiednim przeszlifowaniu ich pobocznicy nale¿y przeprowadziæ pomiar twardoci twar-

dociomierzem Rockwella (HRC). Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów

nale¿y narysowaæ krzywe hartownoci oraz okreliæ odleg³oci krytyczne, a nastêp-

nie rednice obu gatunków stali przy ch³odzeniu w wodzie i oleju.

5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA

Sprawozdanie winno zawieraæ:

1) Krótki opis przebiegu æwiczenia,

2) Szkic próbki oraz schemat urz¹dzenia do hartowania,

3) wyniki pomiarów twardoci w formie tabelarycznej i wykrelnej,

4) ustalone z wykresu na rys. 36.5. wartoci twardoci krytycznych dla obu gatun-

ków stali,

5) wyznaczone odleg³oci krytyczne (l

) oraz rednice krytyczne (D

) obu stali przy

hartowaniu w wodzie i w oleju (z rys.36.6).

6. LITERATURA UZUPE£NIAJ¥CA

[1] Dobrzañski L.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. WPl.,

Gliwice 1993.

[2] Gulajew A.: Metaloznawstwo. l¹sk, Katowice 1967.

[3] Polskie normy: PN-79/H-04402 Metody badania hartownoci stali. Metoda har-

towania od czo³a.

[4] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN 1986.

[5] Staub F.: Metaloznawstwo. l.W.T., Katowice 1994.

[6] Weso³owski K.: Metaloznawstwo. T. 2. WNT, Warszawa 1969.