1) Cel ćwiczenia:

- 1 -

1) Cel ćwiczenia:

Poznanie struktur stali konstrukcyjnych po procesach obróbki cieplnej, których

skutkiem  jest  wzrost  właściwości  wytrzymałościowych.  Umiejętność  doboru  parametrów
obróbki  cieplnej  (hartowania  i  odpuszczania)  stali  konstrukcyjnych.  Charakterystyka
przemiany  martenzytycznej  i  bainitycznej.  Poznanie  zjawisk  zachodzących  podczas
odpuszczania stali niestopowych.

2) Wstęp:

Hartowanie jest obróbką cieplną, polegającą na nagrzaniu elementu do temperatury

30÷50



C powyżej A

– A

(austenityzowanie), wygrzaniu w tej temperaturze i następnie

oziębieniu  wsadu  w  celu  otrzymania  struktury  martenzytycznej  lub  bainitycznej,
odznaczającej  się  wyższą  niż  w  stanie  wyjściowym  twardością  i  wytrzymałością  oraz
mniejszą  plastycznością.  Dla  uzyskania  poprawnych  wyników  hartowania  konieczne  jest
dotrzymanie  odpowiednich  warunków  (parametrów  hartowania)  do  których  należą:
temperatura  austenityzowania,  czas  grzania,  szybkość  chłodzenia.  Temperatura  hartowania
zleży od składu chemicznego stali, a zwłaszcza od zawartości węgla (Rys. 1).

[



Ze względu na otrzymaną strukturę po hartowaniu rozróżniamy: hartowanie

martenzytyczne  (z  zastosowaniem  oziębiania  z  szybkością  większą  od  krytycznej  w  celu
wytworzenia  martenzytu  jako  przeważającego  składnika  strukturalnego)  i  hartowanie
bainitycznej  (z  zastosowaniem  oziębiania  z  szybkością  mniejszą  do  krytycznej  w  celu
wytworzenia bainitu jako przeważającego składnika strukturalnego).

Martenzyt jest to przesycony roztwór stały węgla w żelazie



o sieci tetragonalnej.

Natomiast bainit jest to mieszanina ferrytu częściowo przesyconego węglem i cementytu o
dużym stopniu dyspersji.

Ze względu na sposób chłodzenia rozróżniamy: hartowanie zwykłe (martenzytyczne

lub bainityczne - chłodzenie z prędkością krytyczną), hartowanie stopniowe
(martenzytyczne - chłodzenie z prędkością krytyczną do temperatury nieco powyżej M

wytrzymanie  w  tej  temperaturze  w  czasie  niezbędnym  do  wyrównania  temperatur  na
powierzchni  i  rdzeniu,  a  następnie  schłodzeniu  do  temperatury  otoczenia)  i  hartowanie
izotermiczne  (bainityczne  -chłodzenie  z  prędkością  krytyczną  do  wybranej  temperatury
przemiany  izotermicznej  wyższej  od  M

, wytrzymanie w tej temperaturze od początku do

końca przemiany austenitu i schłodzenie do temperatury otoczenia).

1000

900

800

700

600

500

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Zawartość C [%]

Rys. 1 Zakres austenityzacji stali niestopowych.

- 2 -

Każda z odmian chłodzenia prowadzi do różnych wartości naprężeń w przedmiotach

hartowanych. Największe naprężeni występują przy chłodzeniu ciągłym, mniejsze przy
stopniowym i zupełnie nieznaczne przy izotermicznym. W celu usunięcia tych niepożądanych
naprężeń stosuje się odpuszczanie.

Odpuszczanie jest to operacja obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu i wygrzaniu

zahartowanej stali w temperaturze poniżej A

oraz powolnym studzeniu zwykle w

powietrzu. Jest ono stosowane również w celu polepszenia własności plastycznych
elementów. W zależności od temperatury rozróżnia się odpuszczanie: niskie (100÷250



C),

średnie (250÷500



C) i wysokie (450÷650



C). Odpuszczanie niskie stosowane jest głównie do

narzędzi,  które  powinna  cechować  wysoka  twardość  i  odporność  na  ścieranie.  Zabieg
hartowania  z  następnym  niskim  odpuszczeniem  zwany  jest  utwardzaniem  cieplnym.
Twardość  materiału zawiera się w granicach 54÷64 HRC. Odpuszczanie  średnie stosuje się
głównie  do  stali  sprężynowych,  w  celu  uzyskania  wysokiej  granicy  sprężystości  przy
dostatecznej plastyczności i zachowaniu twardości rzędu 40÷50 HRC. Odpuszczanie wysokie
umożliwia  uzyskanie  optymalnych  własności  (najkorzystniejszego  stosunku  właściwości
mechanicznych do plastycznych).  Zabieg  hartowania z  następnym wysokim odpuszczeniem
zwany jest ulepszaniem cieplnym.

3) Metodyka badań:
W ćwiczeniu badano zgłady poddane hartowaniu i wytrawione NITALEM.

Obserwacji dokonano mikroskopem STUDAR przy stałym powiększeniu równym 650x,
obliczonym ze wzoru:

650











dod

4) Wnioski:

Austenityzowanie stali podeutektoidalnych przeprowadza się w temperaturach

wyższych od A

, następnie stal chłodzi się z prędkością większą od krytycznej. Nagrzanie

stali podeutektoidalnej 30÷50



C powyżej temperatury A

jest konieczne do uzyskania

jednorodnej struktury austenitycznej. Niedogrzanie powoduje niecałkowitą przemianę na
austenit i po zahartowaniu otrzymuje się strukturę tylko częściowo zamienioną na martenzyt.
Stale nadeutektoidalne nagrzewa się przy hartowaniu 30÷50



C powyżej A

i to niezależnie

od zawartości węgla. W stalach tych znajduje się cementyt wtórny, którego rozpuszczanie jest
niecelowe,  gdyż  prowadzi  do  obniżenia  twardości  na  skutek  ilości  austenitu  szczątkowego.
Cementyt jest najtwardszym składnikiem strukturalnym stali i osadzony w twardym podłożu
martenzytycznym zwiększa ogólną twardość, a zwłaszcza odporność na ścieranie.
Błędy przy doborze lub dotrzymaniu temperatury austenityzacji są przyczyną niepowodzenia
całej obróbki cieplnej.

Czas wygrzewania zależy od składu chemicznego stali, wymiarów hartowanego

przedmiotu i warunków nagrzewania, rodzaju pieca, ośrodka grzewczego itp. Czas ten musi
być tak dobrany, aby w całym przekroju materiału powstał austenit. Wygrzewanie należy
przeprowadzać w zasadzie w atmosferze obojętnej, aby nie mogło zachodzić odwęglanie czy
utlenianie stali.

Jednym z ważniejszych parametrów procesu hartowania jest szybkość chłodzenia,

zależna  od  użytego  ośrodka  chłodzącego.  Powinien  on  być  tak  dobrany,  aby  szybkość
chłodzenia  była  większa  od  szybkości  krytycznej  (czyli  najmniejszej  szybkości  chłodzenia,
przy  której  powstaje  sam  martenzyt).  Różnica  między  tymi  dwoma  szybkościami  musi  być
niewielka,  gdyż  im  szybciej  chłodzone  są  przedmioty,  tym  istnieje  większa  możliwość
powstania  naprężeń  hartowniczych.  Szybkie  chłodzenie  podczas  hartowania  jest  konieczne
tylko  w  granicach  minimalnej  trwałości  austenitu  (to  jest  przy  650÷400



C), gdyż w tym

zakresie temperatur austenit ulega bardzo szybkiej przemianie. Powyżej 650



C i poniżej

- 3 -

400



C trwałość przechłodzonego austenitu jest dość znaczna, co pozwala na powolniejsze

chłodzenie.

Przemiana martenzytyczna przebiega przez zarodkowanie i bardzo szybki wzrost

płytek  martenzytu  w  obrębie  ziarn,  z  czego  wynika,  że  z  drobnoziarnistego  austenitu
powstanie  drobnoiglasty  martenzyt,  a  z  gruboziarnistego  –  gruboiglasty  martenzyt.  Nowe
zarodki  martenzytu  powstają  tylko  przy  obniżaniu  temperatury  i  rozrastają  się  kosztem
austenitu, dzieląc go na coraz mniejsze obszary, coraz mniejszymi płytkami martenzytu, przy
czym w każdym ziarnie płytki ułożone są względem siebie pod kątem 60



i 120



, co wynika z

zależności orientacji sieci krystalicznych martenzytu i austenitu.

Martenzyt ma większą objętość właściwą o około 1,5% niż austenit, dlatego w miarę

postępu przemiany pozostału austenit podlega coraz większym naprężeniom ściskającym
hamującym przemianę, aż do jej całkowitego ustania.

Temperatury M.

i M

zależą od zawartości węgla w austenicie (im więcej węgla, tym

są one niższe). Przy zawartości powyżej około 0,6% temperatura M.

jest niższa od 0



C, co

oznacza, że po zakończeniu chłodzenia pewna część austenitu nie ulegnie przemianie. Określa
się ją jako austenit szczątkowy. Jego ilość zwiększa się wraz z ze wzrostem zawartości węgla
i można go usunąć przez wymrażanie (ochłodzenie przedmiotu do temperatury poniżej 0



zaraz po hartowaniu).

Stale węglowe można hartować tylko w przypadku małych przekrojów, ponieważ w

większych  przekrojach  uzyskuje  się  strukturę  martenzytyczną  jedynie  w  warstwach
powierzchniowych, których granicę tworzą punkty przekroju chłodzone z szybkością równą
krytycznej  szybkości  chłodzenia.  W  obszarze  przekroju  położonym  bliżej  środka  wystąpią
również struktury niemartenzytyczne (bainit, ferryt, perlit). Stale węglowe są więc stalami o
małej hartowności (zdolności do hartowania się w głąb na strukturę martenzytyczną).

Krytyczna szybkość chłodzenia dla stali węglowych zależy od zawartości węgla. Duże

jej  wartości  dla  stali  niskowęglowych  są  podstawową  przyczyną,  że  się  ich  nie  hartuje.
Zwiększanie zawartości węgla w  stali do około 0,8 % wymaga coraz  mniejszych  szybkości
chłodzenia  dla  stali  zahartowanych.  Powyżej  tej  wartości  krytyczna  prędkość  zwiększa  się,
gdyż  występujący  obok  austenitu  cementyt  wtórny  stanowi  zarodki  krystalizacji,
przyspieszając przemianę austenitu przechłodzonego.

Podczas hartowania zwykłego powstają duże naprężenia, ze względu na duże różnice

temperatur między rdzeniem i warstwą powierzchniową, które prowadzą do deformacji
obrabianego przedmiotu, a niekiedy nawet do pęknięć.

Przy hartowaniu stopniowym czas przestoju powinien być niezbyt długi, aby nie

zapoczątkować przemiany bainitycznej. Dzięki wyrównaniu temperatury na całym przekroju
elementu i bardzo powolnym chłodzeniu (na powietrzu), po wytrzymaniu izotermicznym, w
przekroju elementu znikają naprężenia termiczne oraz zmniejsza się skłonność do pękania.
Przemiana martenzytyczna zachodzi wówczas niemal na całym przekroju. Hartowanie
stopniowe wymaga następnie odpuszczania.