SPRAWOZDANIE Z MATERIAŁOZNAWSTWA - LABORATORIUM OBRÓBKA CIEPLNA STALI

Transkrypt

1 SPRAWOZDANIE Z MATERIAŁOZNAWSTWA - LABORATORIUM OBRÓBKA CIEPLNA STALI

2 Obróbką cieplną nazywa sie zabiegi technologiczne umożliwiające dzięki grzaniu i chłodzeniu zmianę mikrostruktury, a przez to własności stopów : mechanicznych, fizycnych, technologicznych i chemicznych. Obróbce cieplnej można poddawać stopy, w których zabiegi cieplne wywołują w stanie lanym zmianę rozpuszczalności skadników i przemianę eutektoidalną lub alotropową. zabiegi obróbki cieplnej Wyżarzanie Ulepszanie utwardzanie cieplne dyspresyjne bez przemiany fazowej z przemianą fazową ujednorodnianie wyżarzanie zupełne hartowanie przesycanie rekrystalizowanie normalizowanie odpuszczanie starzenie odprężanie wyżarzanie wymrażanie izotermiczne stabilizowanie zmiękczanie Wyżarzanie ma na celu zapewnienie struktury końcowej zgodnej fazowo ze stanem równowagi. Ujednorodnieniu poddaje się odlewy, rekrystalizowaniu - wyroby odkształcone plastycznie na zimno, a odprężaniu - wyroby po takich procesach wywoujących naprężeniajak odlewanie, spawanie, obróbka plastyczna, obróbka cieplna i obróbka skrawaniem. Natomiast zabiegi wyżarzania z przemianą fazową są stosowane do wyrobów stalowych.

3 1- ujednorodnienie 5- rekrystalizowanie 2- wyżarzanie zupene 6- odprężanie odlewów, przedmiotów spawanych, odkówek 3- normalizowanie 7- odprżanie przedmiotów po obrbce plastycznej na zimno 4- zmiękczanie Celem ujednorodnienia jest usunięcie segregacji dendrytycznej a równocześnie następuje zanik naprężeń odlewniczych. Zabieg polega na wygrzewaniu w temperaturze stopni Celsjusza poniżej solidusu przez kilka do kilkunastu godzin i powolnym studzeniu. Polepsza cigliwość lecz pogarsza ( nieznacznie ) wytrzymałość i twardość a w przypadku stali powoduje rozrost ziarna i dlatego wskazane jest późniejsze normalizowanie. Celem rekrystalizowania ( stosuje się po zakończeniu obróbki plastycznej ) jest usunięcie kruchości i naprężeń własnych oraz zmniejszenie anizotropii wywołanych odksztaceniem plastycznym na zimno ( skutków zgniotu ). Zabieg polega na wygrzewaniu w temperaturze rekrystalizowania przez dwie do sześciu godzin i na powolnym studzeniu. Aby uzyskać drobnoziarnistą strukturę wyrobów stosuje się niższe temperatury zabiegu. Najczęściej procesowi rekrystalizacji poddaje się blachy i druty. Rekrystalizowanie udarowe polega na szybkim nagrzewaniu do temperatury powyrej 500 stopni Celsjusza i zapewnia ono większą wytrzymałoś i plastyczność oraz drobnoziarnistą strukturę wyrobów. Odprężanie ma na celu usunięcie naprężeń własnych bez zmiany struktury materiału. Zabieg ten poleg na wygrzewaniu w temperaturze zależnej od przyczyn, które wywołały naprężenia, przez kilka godzin i na powolnym studzeniu. Temperatura odprężania jest niższa od 50 do 100 stopni Celsjusza niższa od temperatury rekrystalizacji ( dla odlewów staliwnych mniejsza niż 650 a żeliwnych 550 stopni Celsjusza ).Czas tego procesu nieprzekracza dwóch godzin. W czasie zabiegu zanikają głównie naprężenia makroskopowe spowodowane nierównomiernym krzepnięciem cieńszych i grubszych ścianek odlewu. Odprężanie odlewów zachodzi również w

4 temperaturze otoczenia, ale trwa wtedy od kilku do kolkunastu miesięcy. Ten rodzaj zabiegu nazywa się odprężaniem samorzutnym albo sezonowaniem. Odprężanie wyrobów stalowych spawanych przeprowadza się w temperaturze nie przekraczającej 650 stopni Celsjusza przez dwie do trzech godzin. Wyżarzanie zupełne ma na celu całkowite przekrystalizowanie i uzyskanie jednorodnej, drobnoziarnistej struktury stali. Zabieg zapewnia usunięcie naprężeń własnych, nadaje stali dobrą ciągliwość i dobrą obrabialność. Wyżarzanie zupełne polega na austnityzowaniu czyli na wygrzewaniu w temperaturze ( stopni ) + Ac3 stali przedeutektoidalnej i ( stopni ) + Ac cm stali zaeutektoidalnej. Wygrzewanie zapewnia drobnoziarnistą, praktycznie jednorodną, strukturę austenityczną. Zabieg trwa około dwóch godzin i po nim stosuje się bardzo powolne studzenie. Zadaniem normalizowania jest całkowite przekrystalizowanie i uzyskanie jednorodnej drobnoziarnistej struktury stali zgodnej z wykresem Fe-Fe3C. Zabieg zapewnia usunięcie naprężeń własnych, największe możliwe rozdrobnienie ziarna, nadaje stali dobrą ciągliwość, przy nieznacznie większych w porównaniu z wyżarzaniem zupełnym wytrzymałości i twardości, dobrą obrabialność i podatność do właściwej obrobki cieplnej. Warunki normalizowania są takie same jak wyżarzania zupełnego ale stosuje się większą szybkoć chłodzenia. Normalizowanie ograniczone jest do stali o dostatecznie dużych szybkościach krytycznych chłodzenia. Wyżarzanie z przemianą izotermiczną ( izotermiczne ) jest takie samo jak wyżarzanie zupełne różni się tylko tym, że z temperatury austenityzacji przedmiot przenosi się szybko do kąpieli solnej o temperaturze niższej od Ar1 i przetrzymuje się w niej przez czas potrzebny do zakończenia przemiany perlitycznej, a następnie chłodzi na powietrzu do temperatury otoczenia. Wyżarzaniu izotermicznemu poddaje się duże odlewy staliwne i odkówki zwłaszcza ze stali stopowych o małej szybkości krytycznej chłodzeni, którym normalizowani nie zapewnia dostatecznego zmniejszenia twardości. Zmiękczanie ( sferoidyzacja ) ma na celu uzyskanie najmniejszej, możliwej dla danej stali, twardości przez przemianę struktury perlitycznej w sferoidyt. Zapewnia polepszenie skrawalności i podatności do odksztaceń plastycznych, zwlaszcza stali wysokowęglowych. Zabieg polega na dlugotrwałym wyżarzaniu w temperaturze zbliżonej do A1 i następnie bardzo powolnym studzeniu aż do ok 600 stopni Celsjusza. Podczas zmiękczania jest konieczne utrzymanie stałej temperatury gdyż nie utrzymanie jej może spowodować niejednorodnoć i gruboziarnistość. Zabiegi hartowania i odpuszczania obejmowane są wspólną nazwą ulepszania cieplnego ( po hartowaniu zawsze stosuje się odpuszczanie ). Hartowanie połączone z przemianą fazową prowadzi do struktury końcowej niezgodnej ze stanem równowagi metastabilnej. Natomiast odpuszczanie również połączone z przemianą fazową zapewnia powrót do stanu stabilnego, zgodnego fazowo ze stanem równowagi. Znaczenie ulepszania cieplnego spowodowane jest możliwocią zmiany własności mechanicznych stali w bardzo szerokim zakresie. Celem hartowania jest uzyskanie struktury martenzytycznej ( ewentualnie bainitycznej ) o dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie, powodującej jednak znaczną kruchość i naprężenia własne. Hartowanie polega na austenityzowaniu stali w temperaturze i czasie potrzebnym do maksymalnego rozpuszczenia składników stopowych w austenicie, a następnie na chołodzeniu stali z szybkością większą od krytycznej, dla zapewnienia przemiany martenzytycznej. Czas austenityzacji powinien być możliwie krótki, wystarczający do przejścia pierwiastków stopowych do roztworu, a nie powodujący rozrostu ziarn austenitu i zmian powierzchniowych stali ( od kilku do kilku dziesięciu minut )

5 1- hartowanie 2- odpuszczanie wysokie 3- ulepszanie cieplne 4- odpuszczanie średnie 5- odpuszczanie niskie 6- odprężanie po obróbce cieplnej 7- stabilizowanie Prawidłowo zahartowana stal przedeutektoidalna ma strukturę drobno iglastgo martezytu z niewielką ilością austenitu szczątkowego a stal zaeutektoidalna lub stopowa - drobno iglastego martenzytu z drobnymi wydzieleniami węglików i austenitem szczątkowym. Twardość stali zahartowanej zależy o zawartości węgla, to znaczy od twardości martenzytu i ilości austenitu szczątkowego. Hartowanie zapewnia dużą twardość, wytrzymałość i granicę plastyczności ale powoduje znaczną kruchość. Wydłużenie i przewężenie stali zahartowanej są bliskie zeru, udarność jest bardzo mała, a także wywołuje znaczne naprężenia hartownicze. Przyczyną naprężeń jest szybkie oziębianie z temperatury austenityzacji, a zachodząca poniżej temperatury Ms przemiana martenzytyczna powoduje naprężenia strukturalne. Im większa jest zawartość pierwiastków takich jak chrom, wolfram i wanad i im bardziej gruboziarnista jest stal, tym naprężenia hartownicze są większe. ze względu na przebieg chłodzenia wyróżnia się hartowanie zwykłe, stopniowe i izotermiczne. Hartowanie zwykłe polega na ciągłym chłodzeniu przedmiotu

6 w jednym środku chłodzącym od temperatury austenityzacji do temperatury otoczenia ( powoduje największe naprężenia hrtownicze ). Hartownie stopniowe polega na chłodzeniu przedmiotu z przystankiem izotermicznym w dwóch ośrodkach chłodzących. Po wyjciu z kąpieli solnej przedmiotu do temperatury otoczenia chłodzi się na powietrzu. Wspólną cechą hartowania zwykłego i stopiniowego jest jednakowa końcowa struktura martenzytyczna. Hartownie izotermiczne również polega na chłodzeniu przedmiotu z przystankiem i przeprowadza się je analogiczie jak hartownie stopniowe. Różnica polega na wyższej tmperaturze ( od 250 do 350 stopni Celsjusza ) i nazncznie dłuższym czasie przystanku zapewniającym przebieg przemiany bainitycznej, Kosztem nieco mniejszej twardości i wytrzymałości zapewnia znacznie większą ciągliwość i udarność stali.. Hartowaniwe powierzchniowe zapewnia większą odporność na ścieranie warstwy zewnętrznej przy rdzeniu mniej twardym i wytrzymałym ale bardziej ciągliwym ( stosuje się do elementów obciążonych dynamicznie ). Zabieg przeprowadza się przez szybkie nagrzewanie około 850 do 950 stopni Celsjusza ( ilość energii cieplnej doprowadzana w jednostce czasu do powierzchni przedmiotu musi być dużo większa od ilości, jaka może przeniknąć w głąb przekroju dzięki przewodności cieplnej ) oraz szybkim chłodzeniu tak aby większa iloś ciepła znajdująca się w warstwie zewnętrznej została odprowadzona przez środek chłodzący a nie wnikła w głąb przekroju. Ze względu nasposób nagrzewania wyróżnia się hartowanie płomieniowe i indukcyjne. W pierwszej metodzie ciepla dostarcza płomień a w metodzie indukcyjnej na powierzchni są wzbudzane prądy wirowe zamieniające się prawie całkowice w ciepło. Hartowanie zwykłe Hartowanie stopniowe Hartowanie bainityczne 1- izotermiczne 2- ciągłe 3- martenzytyczo-bainityczne

7 Obróka podzerowa ( wymrażanie ) jest to przedłużenie chodzeni po austenityzacji (podczas hartowania ).Obróbka podzerowa powiększa twardość, zapewnia niezmienność wymiarów przedmiotu w temperaturze otoczenia oraz polepsza własności magnetyczne materiaów magnetycznie twardych. Najlepsze wyniki otrzymuje się im szybciej po zakończeniu hartowania przeprowadza się wymrażanie, unikniemy wtedy stabilizacji austenitu szczątkowego. Dla większości stali temperatura Mf nie przekracza minus 70 stopni Celsjusza. Wówczas jako kąpiel wymrażającą stosuje się roztwór stałego dwutlenku węgla w alkoholu. Po hartowaniu martenzytycznym konieczne jest odpuszczanie stali. Odpuszczanie należy przeprowadzać bezpośrednio po hartowaniu. Im dłuższa jest przerwa między zabiegami, tym wyniki podpuszczania są gorsze. Zabieg ten polega na wygrzewaniu w temperaturze niższej od Ac1 i powolnym studzeniu zwykle na powietrzu. Czas wygrzewania wynosi około dwie do trzech godzin i zależy od składu stali. Prędkość chłodzenia nie wpływa na strukturę końcową i własności materiału. Wybór temperatury odpuszczania zależy od wymaganych końcowych własności mechanicznych. Wyrónia się trzy zakresy temperaturowe odpuszczania stali konstrukcyjnych : Do 300 stopni Celsjusza odpuszczanie niskie. Zapewnia strukturę martenzytu odpuszczonego i w związku z tym dużą twardość, wytrzymalość i odporność na ścieranie przy minimalnej ciągliwości. Od 300 do 500 stopni Celsjusza odpuszczanie średnie zapewnia drobnodyspersyjną strukturę sorbityczną o znacznej twardości, wytrzymałości i sprężystości przy dość dobrej ciągliwości. Od 500 do 700 stopni Celsjusza odpuszczanie wysokie zapewnia strukturę sorbityczną o małej dyspersji i w związku z tym dobrą wytrzmymałość i twardość przy dużej ciągliwości i udarności. Ulepszanie cieplne połączne z odpuszczaniem w zakresie stopni Celsjusza zapwnia dobre własności mechaniczne stali w granicach umożliwiających obróbkę skrawaniem i lepsze rozdrobnienie i ujednorodnienie struktury stali. Stabilizowanie jest odmianą niskiego odpuszczania. Polega na długotrwałym wygrzewaniu (kilkadziesiąt godzin ) w temperaturze od stopni Celsjusza. Celmem zabiegu jest otrzymanie struktury martenzytu odpuszczonego, a przedewszystkim zmiany austenitu szczątkoweto w martenzyt regularny. Zabieg przyspiesza przemianę austenitu szczątkowego, co zapewnia stałość wymiarów przedmiotów obrobionych cieplnie. Przesycanie polega na wygrzewaniu stopu w temperaturze zapewniającej przejście składników fazowych do roztworu stalego ( w temperaturze wyższej od temperatury nasycenia roztworu ), a następnie szybkim oziębieniu do temperatury otoczenia. Zabieg zapewnia otrzymanie jednofazowej struktury przesyconego roztworu stałego ( w temperaturze otoczenia ), niezgodnej fazowo ze stanem rónowagi zapwniającej małą twardość i wytrzymaość, ale dużą ciągliwość. Starzenie polega na wydzielaniu się składnika przesycającego z roztworu w postaci drobno dyspersyjnych wtrąceń, hamujących poślizgi i powodująych umocnienie stopu przy czym powiększa się jego twardość i wytrzymałość a zmniejsza ciąglwość. Przemiana perlityczna przebiega przez zarodkowanie i wzrost nowej fazy. Rozpoczyna ją pojawienie się w austenicie zarodków krystalizacji cementytu. W rezultacie z ziarna austenitu powstaje kilka różnie zorientowanych zbiorów równoległych płytek ferrytu i cementytu tworzących ziarno perlitu. Przemiana perlityczna przebiega zawsze do końca to znaczy ustaje po całkowitym wyczerpaniu się austenitu.uprzywilejowany miejscem zarodkowania ferrytu są graniceziarn austenitu. W wyniku przemiany alotropowej gamma w alfa tworzą się cienkie płytki ferrytu, znacznie przesycone węglem. Granice między fazowe austenit - ferryt są więc sprzężone. Bardzo mała szybkość dyfuzji sprawia, że z ferrytu nie wydziela się cały nadmiar węgla i

8 skutkiem tego ferryt pozostaje częściowo przesycony węglem. Produktem przemiany jest struktura płytkowa, stanowiąca mieszaninę częsciowo przesycongo węglem ferrytu i cementytu. Przy mniejszych przechłodzeniach tworzy się bainit górny, przy większych bainit dolny. Warunkiem wywołującym przemianę martenzytyczną jest chłodzenie ( ciągłe ) stali z szybkością większą od krytycznej, zapewniajce przechodzenie austenitu do temperatur stopni Celsjusza, przy ktrórych dyfuzja właściwie nie zachodzi. Przemiana martenzytyczna przbiega przez zarodkowanie i bardzo szybki wzrost. Przyjmuje się, że uprzywilejowanym miejscem heterogenicznego zarodkowania martenzytu są w ziarnach austenitu mikroobszary koncentracji naprężeń ( powsatjących podczas chłodzenia ) skupieniach dyslokacji.