Politechnika Lubelska

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zmianami struktury i własności mechanicznych podczas hartowania i odpuszczania stali.

2. Informacje dotyczące tematyki ćwiczenia .

Hartowanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu elementu do temperatury 30-50 stopni C powyżej A3-A1 , wygrzaniu w tej temperaturze z następnym dostatecznie szybkim oziębieniem , w celu otrzymania struktury martenzytycznej lub bainitycznej , a przez to zwiększenia twardości stali . Na zabieg hartowania składają się więc kolejno po sobie następujące czynności :

Wysokość temperatury nagrzania przy hartowaniu zależy od składu chemicznego stali , a zwłaszcza od zawa-

rtości węgla . Nagrzanie stali podeutektoidalnej powyżej temperatury A3 jest konieczne do uzyskania jedno-

rodnej struktury austenitycznej . Jeśli przy nagrzaniu nie zostałaby przekroczona temperatura A3 , to w stru-

kturzu zahartowanej stali pozostałby wolny ferryt , zmniejszając jej twardość , a po odpuszczeniu i inne wła-

ściwości mechaniczne .Stale nadeutektoidalne natomiast nagrzewa się przy hartowaniu powyżej A1 i to nie-

zależnie od zawartości węgla .W tym przypadku rezygnuje się z całkowitego rozpuszczenia cementytu wtó-

rnego w austenicie , którego obecność w strukturze zahartowanej stali jest nawet pożądana. Cementyt jest

bowiem najtwardszym składnikiem strukturalnym i osadzony w twardym podłożu martenzytycznym zwiększa

ogólną twardość a zwłaszcza odporność na ścieranie.Poza tym zwiększone nasycenie austenitu węglem spo-

wodowałoby wzrost ilości austenitu szczątkowego w zahartowanej stali , zmniejszając jej twardość.

Ośrodki chłodzące z uwagi na ich stan skupienia podzielić można na ośrodki stałe , ciekłe i gazowe.Naj-

częściej stosowane są ośrodki ciekłe . Do ciekłych ośrodków chłodzących zaliczamy : wodę i roztwory

wodne ; oleje i tłuszcze ; stopione sole i metale .

Najbardziej rozpowszechnionym ośrodkiem jest woda . Należy ona do najbardziej energicznie chłodzą-

cych ośrodków , oziębiających szybko zarówno w zakresie 550-650C , jak i w zakresie przemian marten-

zytycznych , co stanowi jej główną wadę . Intensywność chłodzenia zależy w pewnym stopniu od zawar-

tości gazów , które wyraźnie zmniejszają zdolność hartowniczą wody . Dlatego też do hartowania najle-

piej jest stosować wodę miękką ( odstałą deszczową lub rzeczną ) . Gorsza jest woda źródlana , która

może zawierać sole mineralne i gazy .Wodę i roztwory wodne stosuje się głównie do hartowania stali

narzędziowych płytko hartujących się , gdy chodzi o uzyskanie dużej twardości powierzchniowej .

Drugim bardzo rozpowszechnionym ośrodkiem chłodzącym są oleje ; chłodzą one jednak zna-

cznie wolniej.Pożądane są oleje rzadkie o małej lepkości . Oleje takie mają jednak niską temperaturę

zapłonu , co jest znowu niekorzystne z uwagi na niebezpieczeństwo pożaru . W praktyce wybiera się

więc oleje nieco gęstsze o wyższej temperaturze zapłonu . Obecnie do hartowania stosuje się wszelkiego

rodzaju oleje mineralne , jak olej maszynowy , olej wrzecionowy .

Szybkie chłodzenie przy hartowaniu ( oziębienie ) ma na celu przechłodzenie austenitu do

zakresu temperatur przemiany martenzytycznej , w którym to zakresie temperatur austenit ulega przemia-

nie na martenzyt . Zastosowana szybkość chłodzenia musi być większa od szybkości krytycznej dla

danego gatunku stali . Podstawową zasadą przy doborze ośrodka chłodzącego jest unikanie szybszego

niż to konieczne chłodzenia , gdyż ze wzrostem szybkości chłodzenia powstają większe naprężenia i

wzrasta w związku z tym tendencja do odkształceń lub pęknięć .

Ze względu na sposób chłodzenia rozróżniamy hartowanie zwykłe , stopniowe i z przemianą izotermiczną.

Właściwy sposób hartowania należy dobierać w zależności od składu chemicznego stali , kształtu hartowa-

nych elementów i żądanych właściwości . Im bardziej skomplikowany jest kształt przedmiotu , tym

ostrożniej należy go oziębiać , gdyż łatwiej o pęknięcia . Skłonność do pęknięć zwiększa się również ze

wzrostem zawartości węgla i dodatków stopowych .

Najprostszym sposobem hartowania jest hartowanie zwykłe . Polega ono na nagrzaniu stali powyżej A3-A1

wygrzaniu i oziębieniu w ośrodku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzyty-

cznej , w celu otrzymania struktury martenzytycznej , przynajmniej w powierzchniowej warstwie hartowa-

nego przedmiotu . Przedmiot wytrzymuje się w ośrodku chłodzącym , aż do jego zupełnego ochłodzenia .

Szybkość chłodzenia powinna być tak duża , aby przejść przez zakres minimalnej trwałości austenitu bez

jego zmiany . Po tym hartowaniu stosuje się odpuszczanie w celu zmniejszenia naprężeń i uzyskania

odpowiednich właściwości mechanicznych .

Hartowanie stopniowe polega na nagrzaniu stali powyżej A3-A1 , wygrzaniu i oziębieniu w kąpieli o temp

nieznacznie wyższej od temp. początku przemiany martenzytycznej . W kąpieli tej wytrzymuje się hartowa-

ny przedmiot przez czas konieczny do wyrównania temp w jego przekroju , ale na tyle krótko , aby nie

rozpoczęła się jeszcze przemiana bainityczna . Ośrodkiem chłodzącym są zwykle stopione sole . Po harto-

waniu stopniowym stosuje się odpuszczanie . Stosuje się je głównie do przedmiotów niedużych .Hartowa-

nie stopniowe stosuje się również do przedmiotów , które z uwagi na swój kształt są skłonne do krzywie-

nia się i paczenia , jak wiertła , rozwiertaki , wałki itp.

Hartowanie z przemianą izotermiczną , zwane krótko hartowaniem izotermicznym , polega na nagrzaniu

stali powyżej A3-A1 , wygrzaniu i następnym oziębieniu w kąpieli o temp. wyższej od temp. początku

przemiany martenzytycznej . W kąpieli tej hartowany przedmiot wytrzymuje się aż do zakończenia

przemiany austenitu na bainit , po czym dalsze chłodzenie odbywa się na powietrzu lub w wodzie .

Hartowanie z przemianą izotermiczną stosuje się głównie do przedmiotów wykonanych ze stali stopowych.

Odpuszczanie jest to zabieg cieplny stosowany do przedmiotów uprzednio zahartowanych , polegający na

nagrzewaniu ich do temp. niższej od A1 ,wygrzaniu w tej temp. z następnym chłodzeniem powolnym lub

przyśpieszonym . Jest ono zwykle stosowane w celu polepszenia właściwości plastycznych elementów przy

jednoczesnym usunięciu naprężeń własnych , które mogłyby doprowadzić do ich pęknięcia .

Rozróżnia się następujące rodzaje odpuszczania :

1.Odpuszczanie niskie ( 150-250 C ) , którego celem jest częściowe usunięcie naprężeń hartowniczych oraz

rozkład austenitu szczątkowego , przy zachowaniu wysokiej twardości . Stosowane jest do narzędzi , spra-

wdzianów , przedmiotów nawęglonych itp.

2.Odpuszczanie średnie ( 250-500 C ) , którego celem jest obniżenie twardości i zwiększenie odporności na

uderzenie przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości i sprężystości . Odpuszczanie to znajduje zastosowa-

nie przy obróbce cieplnej sprężyn , matryc itp.

3.Odpuszczanie wysokie ( 500-650 C ) stosowane w celu uzyskania jak najwyższej udarności , przy wysta-

rczającej wytrzymałości na rozciąganie .

Na wynik odpuszczania oprócz temperatury wpływa również , chociaż w nieco mniejszym stopniu , czas

odpuszczania . Ten sam wynik można uzyskać przez krótkie odpuszczanie w wyższej temp. lub przez dłuższe

odpuszczanie w temp. niższej . Zbyt krótki czas odpuszczania nie jest jednak korzystny ; dlatego też temp.

odpuszczania musi być tak dobrana , aby wygrzanie mogło trwać dostatecznie długo ,co gwarantuje jednoro-

dność struktury obrabianych cieplnie elementów .

3.Materiały i urządzenia do badań .

Przedmiotem badań są próbki stalowe o wymiarach śr.12 x 20 mm ( sztuk trzy ) wykonane ze stali w gatunku

37 HS . Do wykonania ćwiczenia niezbędne są następujące urządzenia i materiały pomocnicze :

1.Określenie temperatury hartowania badanych próbek w oparciu o wykres Fe-Fe3C i porównanie z tempe-

raturą zalecaną w kartach materiałowych lub normach , przeanalizowanie różnic . Podgrzanie pieca do

2.Dobranie czasu grzania próbek w zależności od wielkości przekroju .

Czas nagrzewania stali węglowych w przedziale temperatur hartowania 800-900 C można obliczyć ze wzoru

n = 0.1 x D1 x K1 x K2 x K3 [ min ]

D1 - wymiar charakterystyczny , będący najmniejszym wymiarem największego przekroju

K1 - współ. środowiska nagrzewającego

K3 - współ. równomierności nagrzewania

W warunkach laboratoryjnych wystarczy przyjąć 1,5-2 minut czasu grzania na 1mm średnicy przekroju.

3.Zbadanie twardości próbek przed hartowanie .

4.Nagrzanie próbek w piecu do hartowania . Następnie jedną z nich oziębić w wodzie , drugą w oleju , a

5.Zbadanie twardości próbek po hartowaniu .

6.Próbkę zahartowaną w oleju odpuścić w temp. 600 C . Czas grzania 1h.

7.Zbadać twardość próbki po odpuszczeniu .

studzonej w oleju-56 HRC , a dla studzonej w wodzie-62 HRC .

W przemianach fazowych zachodzących w stalach biorą udział następujące podstawowe składniki strukturalne

austenit , ferryt , cementyt , perlit i martenzyt .W rzeczywistości zachodzą następujące cztery przemiany :

Hartowanie martenzytyczne prowadzi do powstania struktury metastabilnej . Celem hartowania jest znaczne

zwiększenie wytrzymałości i twardości wyrobu . Odpuszczenie natomiast ma na celu usunięcie naprężeń

oraz przemian wywołujących zmniejszenie twardości i wzrost plastyczności stali . Połączenie zabiegu har-

towania i wysokiego lub średniego odpuszczania nazywamy ulepszaniem cieplnym .Po odpuszczeniu wyso-

kim własności wytrzymałościowe takie jak : Rm , Re , HB wyraźnie maleją , a plastyczne wzrastają . Wiąże

się to z istotnymi zmianami jakie zachodzą w mikrostrukturze stali . W tym zakresie temperatur powstaje

bowiem sorbit , który jest mieszaniną złożoną z ferrytu i bardzo drobnych kulistych wydzielin cementytu.

Przy ustalaniu temperatury odpuszczania należy pamiętać o zjawisku kruchości odpuszczania .

„Ćwiczenia laboratoryjne z inżynierii materiałowej”pod red. Andrzeja Werońskiego wydawnictwo

uczelniane Politechnika Lubelska 1996