Ćwiczenie nr 1
Hartowność stali i obróbka cieplna stopów Ŝelaza
Obróbka cieplna to proces technologiczny, którego celem jest zmiana właściwości mechanicznych i fizyko-chemicznych metali i stopów, przez wywołanie zmian strukturalnych w wyniku działania
Do najważniejszych zabiegów obróbki cieplnej należą (rys. 1):
nagrzewanie: jest ciągłym lub stopniowym podwyższaniem temperatury elementu obrabianego cieplnie.
wygrzewanie, polega na wytrzymaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze.
chłodzenie, jest to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu.
Hartowanie
Polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym oziębianiu w celu uzyskania struktury nierównowagowej, odznaczającej się większą niż w stanie wyjściowym twardością i wytrzymałością oraz mniejszą plastycznością. Temperatura austenityzowania w przypadku stali węglowych jest o 30-50oC wyższa od temperatury AC3
Gdy austenityzowanie obejmuje całą objętość obrabianego cieplnie przedmiotu, a grubość warstwy zahartowanej zależy wyłącznie od własności materiału i szybkości chłodzenia,
Ze względu na rodzaj uzyskiwanej struktury hartowanie można podzielić na:
martenzytyczne, Hartowanie martenzytyczne polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej. Podczas hartowania martenzytycznego zwykłego chłodzenie z temperatury austenityzowania wykonuje się w sposób ciągły z szybkością większą od krytycznej,
bainityczne. W czasie hartowania bainitycznego stosuje się chłodzenie z szybkością mniejszą od krytycznej lub z wygrzewaniem izotermicznym w warunkach zapewniających przebieg przemiany bainitycznej. Hartowanie bainityczne zwykłe charakteryzuje się chłodzeniem ciągłym z szybkością mniejszą od krytycznej – taką, by mogła przebiegać przemiana bainityczna.
definicja i klasyfikacja nagrzewania powierzchniowego
Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie szybkim chłodzeniu. Hartowanie powierzchniowe umożliwia ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej i to jedynie w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie.
indukcyjne,
płomieniowe,
laserowe,
kąpielowe,
kontaktowe,
elektrolityczne,
impulsowe.
hartowanie indukcyjne
Podczas hartowania indukcyjnego grzanie odbywa się prądem elektrycznym indukowanym w obrabianym cieplnie przedmiocie przez zmienne pole magnetyczne.
hartowanie płomieniowe
Hartowanie płomieniowe polega na nagrzewaniu obrabianego przedmiotu palnikami gazowymi i chłodzeniu.
Przez pojęcie hartowności rozumie się zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej O hartowności stali współdecydują:
utwardzalność to podatność stali na hartowanie, miarą której jest zależność największej (możliwej do uzyskania po hartowaniu) twardości od warunków austenityzowania.
przehartowalność, podatność stali na hartowanie jako zależność przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości chłodzenia.
Idealna średnica krytyczna – jest największą średnicą pręta w którym po hartowaniu w ośrodku o określonej intensywności chłodzenia w osi przekroju poprzecznego obrabianego przedmiotu uzyskuje się strukturze złożoną z co najmniej n% martenzytu (indeks n odpowiada udziałowi martenzytu w strukturze np. D50, D80).
Miarą przehartowalności stali jest średnica krytyczna Dn, tj. średnica pręta, w którym po zahartowaniu w ośrodku o określonej intensywności chłodzenia w osi przekroju poprzecznego obrabianego elementu uzyskuje się strukturę złożoną z co najmniej n % martenzytu (indeks n odpowiada udziałowi martenzytu w strukturze podanemu w %, np. D80 lub D50). Średnica D50 jest nazywana średnicą połmartenzytyczną i jest najczęściej stosowana do oceny hartowności, ponieważ dla większości zastosowań praktycznych zawartość 50% martenzytu w środku przekroju jest wystarczająca.
Wartość średnicy krytycznej zależy od zdolności chłodzącej ośrodka oziębiającego, której miarą jest współczynnik intensywności chłodzenia H. Współczynnik ten określa względną zdolność chłodzenia ośrodka w porównaniu z wodą, dla 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.
Badanie hartowności metodą hartowania od czoła
Najpowszechniej stosowaną metodą określania hartowności stali jest próba Jominy’ego hartowania od czoła. Metoda ta polega na oziębianiu strumieniem wody, czołowej powierzchni próbki walcowej o średnicy 25 mm i długości 100 mm (rys. 4), po austenityzowaniu w warunkach zalecanych dla danego gatunku stali.
Na próbkach zahartowanych w tych warunkach wykonuje się próby twardości wzdłuż zeszlifowanej tworzącej próbki w odległości co 2 mm, poczynając od czoła próbki. Następnie sporządza się wykres twardości w funkcji odległości od czoła próbki (rys. 6), zwany krzywą hartowności, Obszar między maksymalnymi a minimalnymi wartościami twardości jest nazywany pasmem hartowności
Następnie korzystając z kilku gotowych wykresów wyznaczamy kolejno:
-krytyczną twardość (zaznaczamy ją na naszym wykresie i patrzymy w jakiej znajduje się odległości od czoła)
-średnicę krytyczną D50 badanej próbki
-wyznaczamy idealną średnicę krytyczną D0
Jest to jedna z metod obliczeniowych oceny hartowności, polegająca na obliczeniu idealnej średnicy krytycznej na podstawie składu chemicznego stali. W metodzie tej idealną średnicę krytyczną Dn oblicza się na podstawie iloczynu doświadczalnie wyznaczonych mnożników w postaci:
Dn = DnC * k1 * k2 * … * kn
Gdzie: Dn – idealna średnica krytyczna
Dnc – idealna średnica podstawowa, tj. Dn dla stali węglowej o tej samej zawartości węgla i wielkości ziarna co badana stal stopowa
K1….kn – mnożniki hartowności dla poszczególnych pierwiastków.
Stal zahartowana na martenzyt, oprócz pożądanej dużej twardości i wytrzymałości, posiada niekorzystne cechy, tj. znaczną kruchość i naprężenia własne. Z tego powodu, po hartowaniu stosuje się zawsze odpuszczanie, tj. obróbkę cieplną polegającą na wygrzaniu zahartowanej stali w temperaturach niższych od Ac1 i studzeniu, zwykle w powietrzu.
niskie (odprężające) jest wykonywane w temperaturze 150÷200°C i stosowane głównie dla narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej operacji jest usunięcie naprężen hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie.
średnie, odbywające się w temperaturze 250÷500°C, jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn. W wyniku tej operacji twardość stali ulega wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zostają zachowane duża wytrzymałość i sprężystość.
wysokie, wykonywane w temperaturze wyższej od 500°C, lecz niższej od Ac1, ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności plastycznych stali. Stosowane jest między innymi dla elementów maszyn, od których wymagana jest wysoka granica plastyczności Re.
Hartowanie i niskie odpuszczanie wykonane łącznie są nazywane utwardzaniem cieplnym. Hartowanie i wysokie odpuszczanie stanowią łącznie tzw. ulepszanie cieplne.
Ogólnie mówiąc wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania maleje twardość, wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności, a wzrastają właściwości plastyczne: przewężenie, udarność, wydłużenie
Podstawowe rodzaje operacji wyżarzania stali
Wyżarzanie ujednorodniające (homogenizujące) – polega na nagrzaniu stali do 1050 – 1250°C, wygrzaniu w tej temperaturze przez kilkadziesiąt godzin i następnym powolnym chłodzeniu. Celem tego wyżarzania jest zmniejszenie niejednorodności składu chemicznego
Wyżarzanie normalizujące – polega na nagrzaniu stali do 30 –50°C powyżej temperatury przemian A3 lub ACm, wygrzaniu w tej temperaturze przez okres 1 godziny i następnym powolnym chłodzeniu w spokojnym powietrzu. Celem tego wyżarzania jest rozdrobnienie ziarna i uzyskanie struktury równowagowej, co wpływa na poprawę właściwości mechanicznych stali.
Wyżarzanie zupełne – polega na nagrzaniu stali do 30 –50°C powyżej temperatury przemian AC3 lub ACm, wygrzaniu w tej temperaturze przez okres 1 godziny i studzeniu wraz z piecem. Celem tego wyżarzania jest rozdrobnienie ziarna i uzyskanie struktury równowagowej, co wpływa na poprawę właściwości mechanicznych stali.
Wyżarzanie rekrystalizujące-polega na nagrzaniu stali powyżej temp. rekrystalizacji lecz poniżej temperatury przemiany AC1, wygrzaniu w tej temperaturze przez okres kilkudziesięciu minut, a następnie chłodzeniu w spokojnym powietrzu. Celem wyżarzania jest usunięcie skutków zgniotu po obróbce plastycznej stali na zimno
Wyżarzanie odprężające-polega na nagrzani u stali poniżej temperatury wywołującej zmiany strukturalne stali (zawsze poniżej temperatury przemiany AC1), wygrzaniu w tej temperaturze przez okres kilku godzin i następnie powolnym chłodzeniu w spokojnym powietrzu lub z piecem. Celem wyżarzania jest z redukowanie do minimum naprężen własnych bez wywołania zmian strukturalnych stali.