plik

4.9. Hartowność
i odpuszczalność stali

4.9.1. Hartowność stali

POJĘCIE HARTOWNOŚCI

Podatność stali na hartowanie, zwana hartownością, jest wyrażana zależnością

przyrostu twardości w wyniku hartowania od warunków austenityzowania i szyb-
kości chłodzenia. Ohartowności stali współdecydują:

utwardzalność,
przehartowalność.

UTWARDZALNOŚĆ

Utwardzalność to podatność stali na hartowanie, miarą której jest zależność

największej – możliwej do uzyskania po hartowaniu – twardości od warunków au-
stenityzowania. Utwardzalność jest uzależniona od warunków austenityzowania
oraz stężenia węgla w austenicie (rys. 4.83).

PRZEHARTOWALNOŚĆ

Przez przehartowalność rozumie się podatność stali na hartowanie jako za-

leżność przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości chłodzenia. Na
przehartowalność w sposób znaczący wpływają stężenie węgla i pierwiastków

305

99,9
95
90
80
50

0,2

0,6

0,8

Rysunek 4.83

Wpływ stężenia węgla na twardość stali zahartowanej o różnym udziale martenzytu w strukturze
(według J.M. Hodge’a i M.A. Orehoskiego)

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 305

stopowych w roztworze stałym podczas au-
stenityzowania, stopień jednorodności au-
stenitu oraz wielkość jego ziarn.

Na rysunku 4.84 podano schematycz-

nie  sposób  rozróżniania  obydwu  pojęć  de-
cydujących o hartowaniu stali. Równoległy
rozkład  twardości  na  przekroju  prętów  ze
stali  1 i 2 oraz  jednakowa  grubość  g war-
stwy zahartowanej o udziale, np. 80% mar-
tenzytu,  świadczą  o jednakowej  przeharto-
walności obydwu stali. Różnią się one jed-
nak utwardzalnością, gdyż twardość stali 1
o większym stężeniu węgla jest większa.

ŚREDNICA KRYTYCZNA

Miarą przehartowalności stali jest krytyczna szybkość hartowania lub średnica

krytyczna D

, tj. średnica pręta, w którym po zahartowaniu w ośrodku o określo-

nej intensywności chłodzenia w osi przekroju poprzecznego obrabianego elemen-
tu uzyskuje się strukturę złożoną z co najmniej n % martenzytu (indeks n odpowia-
da udziałowi martenzytu w strukturze podanemu w %, np. D

lub D

– rys. 4.85).

Średnica D

jest nazywana średnicą półmartenzytyczną.

WSPÓŁCZYNNIK INTENSYWNOŚCI CHŁODZENIA

Wartość średnicy krytycznej zależy od zdolności chłodzącej ośrodka oziębia-

jącego, której miarą jest współczynnik intensywności chłodzenia H. Współczyn-
nik ten określa względną zdolność chłodzenia ośrodka w porównaniu z wodą, dla

4. Kształtowanie struktury i własności metali i stopów

306

metodami technologicznymi

Rysunek 4.84

Schemat rozkładu twardo-
ści na przekroju prętów
o jednakowej średnicy
z dwóch stali o tej samej
przehartowalności, lecz
różnej utwardzalności,
1 – stal węglowa o stężeniu
C większym niż w stali 2,
2 – stal niskostopowa

Rysunek 4.85

Schemat zależności
grubości warstwy
zahartowanej w pręcie
o średnicy d od krytycznej
szybkości chłodzenia
różnych stali
o hartowności:
a) małej, b) średniej,
c) dużej

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 306

której przyjmuje się H = 1. Wielkość ta może zmieniać swą wartość od H = 0
dla ośrodka, który jest idealnym izolatorem, czyli zupełnie nie odbiera ciepła, do
H =

∞

– dla idealnego ośrodka chłodzącego, w którym powierzchnia przedmiotu

chłodzonego natychmiast oziębiałaby się do temperatury ośrodka. Wartość współ-
czynnika H zależy także w dużym stopniu od intensywności ruchu przedmiotu
względem ośrodka chłodzącego (tabl. 4.11).

METODA JOMINY’EGO OKREŚLANIA HARTOWNOŚCI

Najpowszechniej stosowaną metodą określania hartowności stali jest próba

Jominy’ego hartowania od czoła (PN-EN ISO 642:2002). Metoda ta polega na ozię-
bianiu strumieniem wody, czołowej powierzchni próbki walcowej o średnicy 25 mm
i długości 100 mm (rys. 4.86), po austenityzowaniu w warunkach zalecanych dla

4.9. Hartowność i odpuszczalność stali

307

Ruch ośrodka

względem

przedmiotu

Wartość współczynnika H dla:

wodnego

roztworu NaCl

wody

oleju

powietrza

Żaden

0,3

0,02

Mały

2,2

1,3

0,4

Średni

1,5

0,5

Silny

0,8

0,05

Gwałtowny

7,5

1,1

Natrysk

1,5

Tablica 4.11

Orientacyjne wartości
współczynnika intensyw-
ności chłodzenia H
dla różnych ośrodków
chłodzących

Rysunek 4.86

Próbki do badania hartowności metodą chłodzenia od czoła dla stali o krytycznej szybkości chłodzenia
a) średniej (według

PN-EN ISO 642:2002

), b) małej (według A. Randaha i K. Vettera),

c) dużej (według A. Rose i L. Rademachera)

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 307

danego  gatunku  stali.  Próba  odbywa  się  na
stanowisku, którego schemat podano na rys.
4.87.  Na  próbkach  zahartowanych  w tych
warunkach  wykonuje  się  próby  twardości
wzdłuż zeszlifowanej tworzącej próbki w od-
ległości co 2 mm, poczynając od czoła prób-
ki. Następnie sporządza się wykres twardości

w funkcji  odległości  od  czoła  próbki  (rys.
4.88),  zwany  krzywą  hartowności,  nanosząc
średnie  wyników  pomiarów  z dwóch  prze-
ciwległych tworzących. Wobec rozrzutu skła-
du chemicznego stali dopuszczalnego przez
normy,  dla  stali  tego  samego  gatunku  z po-
szczególnych  wytopów  uzyskuje  się  krzywe
hartowności nieco różniące się między sobą.
Obszar między maksymalnymi a minimalny-
mi wartościami twardości jest nazywany pa-
smem hartowności (rys. 4.88).

Próba określania hartowności metodą Jo-

miny’ego  może  być  stosowana  dla  stali
o średniej  hartowności,  a w przypadku  uży-
cia próbek o odpowiednio zmodyfikowanych
kształtach  –  także  dla  stali  o małej  i dużej
hartowności (rys. 4.86b i c).

METODA KRZYWYCH „U“ OKREŚLANIA HARTOWNOŚCI

Sposobem określania hartowności o wiele bardziej pracochłonnym od metody

Jominy’ego jest metoda polegająca na hartowaniu w stałych warunkach prętów
z danego gatunku stali o różnych średnicach i wyznaczaniu rozkładu twardości na
przekroju poprzecznym każdego pręta wzdłuż średnicy. Wyniki próby podaje się
w postaci wykresu twardości w funkcji odległości od środka próbki wzdłuż średni-
cy – tzw. krzywych „U“ (rys. 4.89).

4. Kształtowanie struktury i własności metali i stopów

308

metodami technologicznymi

Rysunek 4.87

Schemat stanowiska
do prób hartowności
metodą chłodzenia
od czoła;
1 – zbiornik z wodą,
2 – wanna,
3 – zawór,
4 – dysza wodna,
5 – przesłona,
6 – uchwyt próbki,
7 – próbka

Rysunek 4.88

Pasmo hartowności stali 37Cr4+H

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 308

rozkładu twardości na przekroju prętów (rys. 4.91). W ten sposób można np. okre-
ślić, przy jakiej maksymalnej średnicy i z użyciem jakiego ośrodka chłodzącego stal
zahartuje się na wskroś.

4.9.2. Metody obliczania i modelowania hartowności

OBLICZANIE I MODELOWANIE HARTOWNOŚCI

W celu sklasyfikowania stali, a także posługiwania się hartownością przy dobo-

rze stali oblicza się różne wskaźniki i funkcje spełniające zadanie mierników har-
towności

, a wśród nich:

I50–95

– idealne średnice krytyczne przy zróżnicowanym udziale martenzytu

w osi przekroju,
D

H50–95

– średnice krytyczne dla ośrodków o zróżnicowanej intensywności

chłodzenia H, przy założonym udziale martenzytu w osi przekroju,
H

= f(l) – krzywą Jominy’ego stali, opisującą zmiany twardości HRC próbki Jo-

miny’ego w funkcji odległości l od czoła próbki.
Na podstawie obliczonej wartości idealnej średnicy krytycznej D

I50

można

określić średnice krytyczne D

H50

dla ośrodków chłodzących o intensywności chło-

dzenia H od 0,01 do 10,0. Dodatkowo można obliczyć rzeczywiste średnice kry-
tyczne D

dla innych udziałów martenzytu w osi przekroju (np. 80%, 90% i 95%).

Znajomość  idealnej  średnicy  krytycznej  umożliwia  także  obliczenie  przebiegu
krzywej  Jominy’ego,  przez  obliczenie  twardości  stali  w pobliżu  czoła  próbki
Jominy’ego  H

w funkcji stężenia węgla w stali i znalezienie wartości dzielników

= H

, które umożliwiają obliczenie twardości H

w przyjętych odległościach

od czoła próbki Jominy’ego.

4. Kształtowanie struktury i własności metali i stopów

310

metodami technologicznymi

Rysunek 4.91

Graficzne wyznaczanie
rozkładu minimalnej
twardości na przekroju pręta

∅

60 mm ze stali 41Cr4 po

hartowaniu w oleju – krzywe
szybkości chłodzenia na
przekroju prętów nałożone
na pasmo hartowności
(według W. Lutego)

Dane publikowane w niniejszym rozdziale są wynikiem wspólnych prac Autora i W. Sitka.

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 310

OBLICZANIE IDEALNEJ ŚREDNICY KRYTYCZNEJ

Na podstawową idealną średnicę krytyczną D

(dotyczącą czystego stopu

Fe–C o określonej wielkości ziarna), wpływa zarówno stężenie węgla jak i wielkość
ziarna, co uwzględnia zależność:

= 0,6(%C)

0,5

exp(–0,816N),

(4.15)

gdzie:

%C – stężenie węgla w stali, nie większe niż 0,9%,
N

– wskaźnik wielkości ziarna austenitu pierwotnego w zakresie 5

8 we-

dług skali zawartej w PN-84/H-04507/01.

Zależność idealnej średnicy krytycznej

podstawowej D

od stężenia węgla i wielko-

ści ziarna austenitu pierwotnego, a także tem-
peratury hartowania przedstawiono na rysun-
ku 4.92. Zależności te mogą być aproksymo-
wane wielomianami:

(4.16)

których współczynniki zostały zestawione
w tablicy 4.12.

4.9. Hartowność i odpuszczalność stali

311

Rysunek 4.92

Zależność idealnej średnicy krytycznej podstawowej DI

od stężenia węgla i wielkości ziarna austenitu

pierwotnego dla stali a) średnio- i niskowęglowych (według A.F. Retany i D.V. Doane’a) lub temperatury
hartowania dla stali b) wysokowęglowych (według C.F. Jatczaka)

∑

C) ,

Tablica 4.12

Współczynniki wielomianów stosowanych w procedurach
obliczeniowych D

dla wielkości ziarna N = 7

Zakres stosowania, % C

Współczynniki

C ≤0,39

0,54

0,39< C ≤0,55

0,171

0,001

0,265

0,55< C ≤0,75

0,115

0,268

–0,038

0,75< C ≤0,9

0,062

0,409

–0,135

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 311

(4.17)

gdzie:

I50

– idealna średnica krytyczna (maksymalna średnica pręta okrągłego

chłodzonego w warunkach idealnych, tj. przy intensywności chło-
dzenia H =

∞

) dla udziału co najmniej 50% martenzytu w środku

przekroju,

– mnożniki uwzględniające wpływ dodatku stopowego d.

Zależność mnożników k

od stężenia dodatków stopowych podana jest w for-

mie wykresów (rys. 4.93), a ich wartości można obliczyć wykorzystując wielomia-
ny ze współczynnikami podanymi w tablicy 4.13 zgodnie z ogólną zależnością:

(4.18)

OBLICZANIE WPŁYWU BORU

Wpływ boru oblicza się poprzez wprowadzenie czynnika boru k

(BF), którego

wartość zależy od stężenia węgla oraz wpływu dodatków stopowych uwzględnio-
nych w czynniku k

(AF):

= D

150

= k

(4.19)

Wartości k

można obliczyć z zależności:

(4.20)

4.9. Hartowność i odpuszczalność stali

313

∏

k ,

Tablica 4.13

Współczynniki wielomianów stosowanych w procedurach obliczeniowych k

∑

) .

∑

C) .

Mnożnik

Pierwiastek

Współczynniki

Mn ≤1,2

3,3333

1,2< Mn ≤1,95

–1,12

5,1

1,0001

0,699986

0,989046

0,382183

0,999962

2,16

1,73

1,0016

0,362482

1,001

–0,815

0,595

0,999

2,623

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 313

Współczynniki A

w zależności (4.20) zależą od wartości k

oraz od stężenia

węgla w stali i zostały podane przykładowo w tablicy 4.14. Dokładne wartości k

mogą być każdorazowo wyliczane jedynie dla przyjętych w normie wielkości k

Bor wpływa na wielkość wskaźników opisujących hartowność stali pod warun-

kiem, że:

stal jest w pełni odtleniona i odgazowana,
stal zawiera Al, Ti, Zr i/lub inne składniki zapewniające związanie azotu,
warunki austenityzowania zapewniają optymalny udział boru w roztworze
stałym.

OBLICZANIE WPŁYWU UDZIAŁU MARTENZYTU

Do obliczania idealnych średnic krytycznych przy innym niż 50%–wy udział

martenzytu w osi przekroju, służą zależności podane przez J.M. Hodge’a i M.A.
Orehoskiego (rys. 4.94) przedstawione w postaci wielomianu:

4. Kształtowanie struktury i własności metali i stopów

314

metodami technologicznymi

Tablica 4.14

Współczynniki wielomianów stosowanych w procedurach obliczeniowych mnożnika boru k

Rysunek 4.94

Zależność idealnych średnic krytycznych od udziału martenzytu w strukturze stali (według W. Lutego)

Zakres

stosowania

Współczynniki

≤5

13,03059

–99,60059

374,8548

–707,3473

649,0013

–231,1499

5< k

≤7

10,29157

–69,64546

245,7061

–445,398

398,804

–140,6225

7< k

≤9

10,45573

–79,18535

311,9332

–630,549

627,6022

–244,4064

9< k

≤11

9,005326

–64,3767

249,6933

–506,0601

509,4772

–201,9323

11< k

≤13

8,054231

–55,1017

213,6752

–447,8863

477,8413

–204,4974

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 314

(4.21)

gdzie:

n – udział objętościowy martenzytu w osi przekroju.

Współczynniki wielomianów zestawiono w tablicy 4.15.

OBLICZANIE RZECZYWISTYCH ŚREDNIC KRYTYCZNYCH

Dla wyznaczenia wartości rzeczywistych średnic krytycznych dla wybranych

ośrodków chłodzących, o intensywnościach chłodzenia: H = 1,0; 0,7; 0,35 i 0,2
wykorzystuje się odpowiednie krzywe umieszczone na rysunku 4.95, opisane
zależnością:

(4.22)

Wartości współczynników zestawiono w tablicy 4.16.

4.9. Hartowność i odpuszczalność stali

315

Udział martenzytu

n, %

Współczynniki

1,775

0,786556

–

0,00138986

1,56099

0,862068

–

0,00117582

0,967033

0,938447

–

0,00118931

Rysunek 4.95

Zależność między idealną a rzeczywistą średnicą krytyczną przy różnej intensywności chłodzenia H
(według M.A. Grossmanna, M. Asimowa i S.F. Urbana)

Tablica 4.15

Współczynniki wielomia-
nów stosowanych w proce-
durach obliczeniowych D

dla udziału martenzytu
w osi przekroju n

∑

)

∑

) .

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 315

OBLICZANIE KRZYWEJ HARTOWNOŚCI METODĄ ASTM

Metoda obliczania hartowności zalecana w normie ASTM A255 wykorzystuje

średnicę krytyczną do obliczania krzywej hartowności według wzoru:

(4.23)

gdzie:

, H

– odpowiednio twardość na powierzchni oraz dla punktu odległego

o l od czoła próbki Jominy’ego,

– dzielnik dla punktu odległego o l od czoła próbki Jominy’ego.

Twardość H

, uzyskiwaną w pobliżu czoła próbki Jominy’ego, analogicznie jak

twardość struktury półmartenzytycznej H

dla danej stali oblicza się z zależności:

(4.24)

Wartości współczynników A

podano w tablicy 4.17. Dzielniki d

mają postać

wielomianu:

(4.25)

gdzie:

– idealna średnica krytyczna w mm,

– współczynnik stopnia i w punkcie l odległym od czoła próbki Jomi-

ny’ego.

Wartości A

podane w normie ASTM A255 są obarczone błędami ze względu

na przyjęte zbyt zgrubne zaokrąglenia, stąd zalecane jest wykorzystywanie ich po-
prawnych wartości zestawionych w niniejszym rozdziale i przykładowo podanych
w tablicy 4.18 dla różnych odległości od czoła próbki Jominy’ego.

4. Kształtowanie struktury i własności metali i stopów

316

metodami technologicznymi

Tablica 4.16

Współczynniki wielomia-
nów stosowanych w proce-
durach obliczeniowych D

dla wybranych ośrodków
chłodzących o różnej inten-
sywności chłodzenia H

∑

(%C) .

∑

D ,

Tablica 4.17

Współczynniki wielomia-
nów stosowanych w proce-
durach obliczeniowych
dla określonych twardości
H

i H

Intensywność
chłodzenia H

Współczynniki

0,2

–0,0793114

0,119424

0,00370176

–7,08864

⋅

–6

0,35

–1,39139

0,230859

0,00402278

–8,00256

⋅

–6

0,7

–2,4996

0,378908

0,00461382

–1,06665

⋅

–5

–2,89353

0,500249

0,00388165

–9,40834

⋅

–6

Twardość

Współczynniki

35,395

6,99

312,33

–821,744

1015,479

–538,346

22,974

6,21

356,364

–1091,488

1464,88

–750,441

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 316

OBLICZANIE KRZYWEJ HARTOWNOŚCI METODĄ A. MOSERA I A. LEGATA

Hartowność może być również obliczana inną metodą podaną przez A. Mose-

ra i A. Legata:

(4.26)

gdzie:

– podstawowa idealna średnica krytyczna obliczona według wzoru

(4.15),

%p – stężenie pierwiastka stopowego p,
B

– współczynniki określające oddziaływanie pierwiastków stopowych na

hartowność.

Wartości współczynników B

podano w tablicy 4.19.

METODY KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA

MODELOWANIA KRZYWYCH HARTOWNOŚCI

Dokonana analiza wskazuje, że żadna z dotychczasowych metod obliczania

hartowności nie odpowiada z wystarczająco dużą dokładnością wynikom badań
doświadczalnych. Niektóre z tych metod mogą jednak znaleźć zastosowanie przy
ograniczonym zakresie stężeń węgla i głównych pierwiastków stopowych w stalach

4.9. Hartowność i odpuszczalność stali

317

Grupa

stali

Odległość od

czoła, mm

Współczynniki

1,55178

–0,026051

0,000429702

–2,48638

4,52244

–0,157727

0,00282099

–2,3052

7,10938

4,16084

–0,078001

0,000678691

–2,05388

4,40247

–0,0749405

0,000590939

–1,63955

4,71993

–0,0774409

0,000581708

–1,53896

1,36183

–0,011187

0,000111898

–3,73023

25,1883

–1,65442

0,0456792

–6,32738

4,38249

–1,2117

12,0721

–0,436748

0,00655706

–4,39764

1,10527

9,59515

–0,240362

0,00237088

–9,1925

9,84317

10,6938

–0,265819

0,00275915

–1,27058

2,16941

niezawierające boru

zawierające bor

⋅

⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅

⋅

–6

–5

–6

–7

–3

–5

–6

–5

–6

–7

–9

–8

⋅

–8

⋅
⋅
⋅
⋅

–8

⋅

Tablica 4.18

Współczynniki wielomianów stosowanych w procedurach obliczeniowych d

∏

]

Współczynnik

Wartość

3,28

2,21

2,13

1,4

1,47

Tablica 4.19

Wartości współczynników B

określających oddziaływanie
pierwiastków stopowych

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 317

albo nawet wyłącznie dla niektórych grup lub pojedynczych gatunków stali. Przy-
kładowo, metoda A. Mosera – A. Legata może być stosowana wyłącznie dla stali
do nawęglania, pomimo paradoksalnego podania przez autorów tej metody, że nie
należy jej stosować właśnie dla stali zawierających poniżej 0,2% C. Najpowszech-
niej znaną metodę, objętą normą ASTM A255, można natomiast stosować wyłącz-
nie dla niektórych gatunków stali do ulepszania cieplnego. Wobec praktycznej nie-
przydatności  dotychczas  opublikowanych  metod  opracowano  nową  metodę  obli-
czania krzywych hartowności Jominy’ego, o wystarczającej adekwatności do krzy-
wych uzyskiwanych doświadczalnie. Nowa metoda modelowania krzywych hartow-
ności  stali  konstrukcyjnych  stopowych  jest  oparta  na  automatycznej  klasyfikacji
tych  stali,  ze  względu  na  wartość  czynnika  stopowego  AF podanego  w normie
ASTM A255 i na następnym zastosowaniu modelu samouczących się sztucznych
sieci neuronowych do obliczania krzywej hartowności, opracowanego na podsta-
wie obszernych baz danych materiałowych. Program komputerowy wykorzystujący
tę metodę stanowi fragment złożonego komputerowego systemu doboru stali kon-
strukcyjnych  stopowych  na  elementy  maszyn  i urządzeń.  System  ten  umożliwia
również przewidywanie składu chemicznego stali na podstawie znanego przebiegu
krzywej hartowności Jominy’ego, co umożliwia m.in. bieżącą kontrolę składu che-
micznego stali o żądanym przebiegu krzywej hartowności, bezpośrednio podczas
procesu jej wytapiania. Praktyczne stosowanie systemów komputerowego wspoma-
gania doboru materiałów umożliwia eliminowanie czynników subiektywnych, a na-
wet błędów w doborze materiałów.

4.9.3. Odpuszczalność

POJĘCIE ODPUSZCZALNOŚCI

Reagowanie struktur utworzonych z przechłodzonego austenitu na odpuszcza-

nie jest nazywane odpuszczalnością. Zwykle pojęcie odpuszczalności ogranicza się
do ujmowania zależności twardości od temperatury odpuszczania przy stałym cza-
sie tej operacji. Wykresy przedstawiające te zależności dla poszczególnych gatun-
ków stali są publikowane w technicznej literaturze i kartach materiałowych.

Odpuszczalność zależy od struktury stali po hartowaniu i jest ściśle związana

z temperaturą i czasem odpuszczania.

PARAMETR ODPUSZCZANIA

Wpływ temperatury i czasu odpuszczania na twardość stali węglowej ujmuje pa-

rametr odpuszczania M – J.H. Hollomona i L.D. Jaffe’a:

M = T

⋅

(C + log

(4.27)

gdzie:

T – temperatura odpuszczania w skali bezwzględnej,

– czas odpuszczania w s,

C – stała zależna od stężenia węgla (rys. 4.96).

4. Kształtowanie struktury i własności metali i stopów

318

metodami technologicznymi

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 318

NOMOGRAMY DO DOBORU WARUNKÓW ODPUSZCZANIA STALI

Odczytanie odpowiednich wartości twardości po odpuszczaniu w różnych wa-

runkach umożliwiają specjalne nomogramy. Na rysunku 4.97 przedstawiono no-
mogram, który – oprócz wpływu temperatury i czasu odpuszczania – ujmuje od-
działywanie stężenia węgla na twardość stali odpuszczonej po uprzednim zaharto-
waniu w warunkach zapewniających otrzymanie niemal czystej struktury marten-
zytycznej. Nomogram taki umożliwia dobór warunków odpuszczania stali węglo-
wej o danym stężeniu węgla, zapewniającym wymaganą twardość. Na przykład stal

o stężeniu 0,7% C (punkt 1

′

) w celu uzyskania twardości 50 HRC należy odpusz-

czać w temperaturze 350°C przez 2 h (punkt 3

′

) lub 400°C przez ok. 9 min (punkt

′′

). W celu wyznaczenia tych warunków odpuszczania twardość odpowiadającą

analizowanej stali odczytaną w prawej części nomogramu należy sprowadzić do
stężenia 0,35% C (punkt 2

′

), któremu odpowiada lewa część nomogramu.

Powyższy nomogram umożliwia również – w sposób zaznaczony strzałkami

na rysunku 4.97 – wyznaczenie twardości stali o określonym stężeniu węgla,

4.9. Hartowność i odpuszczalność stali

319

Rysunek 4.96

Wartości stałej C
w równaniu (4.27)
parametru odpuszczania
dla stali o różnym
stężeniu węgla
(według J.H. Hollomona
i L.D. Jaffe’a)

Rysunek 4.97

Nomogram
do określania
twardości
stali węglowych
w zależności
od warunków
odpuszczania
(według A.P.
Gulajewa)

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 319

np. 0,59% C (punkt 3), odpuszczonej w okre-
ślonych warunkach – np. w temperaturze
500°C przez 5 h (punkt 1).

W rzeczywistości w wyniku hartowania

nie  uzyskuje  się  czystej  struktury  martenzy-
tycznej.  Twardość  stali  może  być  wówczas
mniejsza od twardości martenzytu stali o da-
nym stężeniu węgla. Z tego względu znacze-
nie  praktyczne  uzyskują  również  nomogra-
my  uwzględniające  wpływ  różnych  struktur
po hartowaniu na twardość stali odpuszczo-
nej  w różnych  warunkach.  Nomogram  taki,
dla danego gatunku stali (rys. 4.98), umożli-
wia określenie warunków odpuszczania w ce-
lu  uzyskania  wymaganej  twardości  lub  od-
czytanie twardości po odpuszczaniu w zało-
żonej temperaturze i czasie.

W przypadkach stali stopowych zmiany

twardości w funkcji temperatury odpuszcza-
nia  nie  mają  monotonicznego  charakteru
i z tego względu nie są ujmowane w prostej
formie  nomogramów.  Parametr  odpuszcza-
nia  jest  wówczas  nieprzydatny  do  opisywa-
nia własności tych stali.

DOBÓR STALI O WYMAGANYCH WŁASNOŚCIACH PO ODPUSZCZANIU

Często zadanie konstruktora polega na

doborze stali, która po hartowaniu i odpusz-
czaniu  powinna  wykazywać  wymaganą  gra-
nicę plastyczności lub wytrzymałość. Do roz-
wiązania  zadania  konieczna  jest  znajomość
przynajmniej  orientacyjnej  zależności  wy-
trzymałości i granicy plastyczności od twar-
dości  w stanie  zahartowanym  i odpuszczo-
nym  (rys.  4.99),  a także  korelacji  między
twardością  po  hartowaniu  i po  odpuszcza-
niu,  przykładowo  podanej  w normie  DIN
17021 1976 w postaci zależności liniowej dla
stali  konstrukcyjnych  ulepszonych  cieplnie
z odpuszczaniem  w temperaturze  500
i 600°C (rys.  4.100).  Zastosowanie  wykre-
sów  proponowanych  przez  normę  DIN
17021  1976  prowadzi  do  stawiania  niereal-
nych wymagań w stosunku do twardości sta-
li  po  hartowaniu  (HRC

= 63

80). Z tego

4. Kształtowanie struktury i własności metali i stopów

320

metodami technologicznymi

stal C45

Rysunek 4.98

Zależność twardości stali C45
od temperatury i czasu odpuszczania (według W. Lutego)

Rysunek 4.99

Korelacja granicy plastyczności i twardości stali konstrukcyjnych
ulepszonych cieplnie (według E. Houdremonta)

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 320

względu zależności te mogą być wyłącznie
stosowane dla niższych twardości po odpusz-
czaniu, HRC

poniżej 35 dla temperatury

600°C i HRC

poniżej 45 dla temperatury

odpuszczania 500°C. Dla wyższych wartości
twardości mogą być wykorzystane zależności
podane na rysunku 4.100 opracowane przez
Autora i współpracowników.

W przypadku gdy o własnościach użyt-

kowych  mogą  decydować  własności  pla-
styczne, podczas doboru stali można wyko-
rzystać  orientacyjne  zależności  między  wy-
trzymałością  na  rozciąganie  stali  konstruk-
cyjnych a ich wydłużeniem i przewężeniem
(rys. 4.101).

METODY OBLICZENIOWE DOBORU WARUNKÓW ODPUSZCZANIA

Współczesne programy komputerowe

wspomagania  doboru  materiałów  CAMS
(computer aided materials selection) zawiera-
ją bazy danych obejmujące wpływ warunków
hartowania i odpuszczania na własności róż-
nych  gatunków  stali  i procedury  obliczenio-
we  umożliwiające  dobór  stali  do  oczekiwa-
nych  zastosowań  z uwzględnieniem  własno-
ści  stali  po  odpuszczaniu.  Określenie  przez
konstruktora wymaganej twardości lub grani-
cy  plastyczności  elementu  konstrukcyjnego
oraz ustalenie grubości, na której te wymaga-
nia  mogą  być  spełnione,  umożliwia  dobra-
nie, przy użyciu systemu CAMS, odpowied-
niego  gatunku  stali,  poprzez  określenie  jej
składu  chemicznego  oraz  ustalenie  warun-
ków, głównie temperatury, poprawnej obrób-
ki cieplnej, tzn. hartowania i odpuszczania.

4.9. Hartowność i odpuszczalność stali

321

Rysunek 4.101

Korelacja między wytrzymałością a granicą plastyczności,
wydłużeniem i przewężeniem stali stopowych ulepszonych cieplnie
(według E.J. Janitzky’ego i M. Baeyertza)

Rysunek 4.100

Porównawcze zestawienie zależności twardości po hartowaniu i twardości po hartowaniu i odpuszczaniu
dla stali stopowych konstrukcyjnych i maszynowych do ulepszania cieplnego (odpuszczonych w temperaturze
500 i 600°C) z zależnościami zalecanymi przez normę DIN 17021 1976

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 321

4.9. Hartowność i odpuszczalność stali

323

Most  linowy  z  jedną  wieżą  „Puente  del
Alamillo”  w  Sewilli  w  Hiszpanii  został
zaprojektowany  przez  Santiago  Calatrava
przed  wystawą  EXPO’92  (3).  W  dniu
22.09.2002  oddano  linowy  most  Siekier-

kowski w Warszawie (4). Most Millenium (5) znajduje się w Londynie. Do mostów wiszących należy most z
epoki kolonialnej w Singapurze (1) i most łańcuchowy w Budapeszcie (2). Mosty kratowe w Singapurze (7)
i w Szwecji (8) są w całości wykonane z kształtowników stalowych, które wcześniej nitowano, a począwszy od
mostu (6) wykonanego jako pierwszy w Europie przez prof. Stefana Bryłę nad rzeką Słudwią w roku 1928,
w całości spawano z kształtowników stalowych. Pierwszy most żelazny (stalowy) w Polsce, jako jeden z pier-
wszych w świecie mostów o konstrukcji kratowej, został wybudowany w roku 1864 przez polskiego inżyniera
Stanisława Kierbedzia i został zniszczony w czasie I wojny światowej. Czerwony stalowy most wspornikowy
Firth of Forth (9) w Szkocji oddany w 1890 roku jest drugim co do wielkości w świecie (2 razy po 521 m)
po oddanym w 1917 roku w Quebecu w Kanadzie (549 m). W Seulu w Korei Południowej nad rzeką Han-Gang
są liczne mosty w tym równoległe 2 wieloprzęsłowe stalowe mosty wspornikowe (12). Most w spornikowy
z przęsłami stalowymi znajduje się w Bangkoku w Tajlandii na rzece Kwai (13). Most łukowy w Sydney Harbour
Bridge zaprojektowany przez Johna Bradfielda, oddany do użytku 19.03.1932 roku ma przęsło o długości 503 m
co stawia go na 3 miejscu na świecie (10) (11). Mosty zwodzone w Amsterdamie w Holandii (15) oraz część
zwodzona Tower Bridge w Londynie są wykonane ze stali.

4 rozB 7-11-02 19:55 Page 323