6. OBRÓBKA CIEPLNO - PLASTYCZNA 6.1. Cel ćwiczenia Zapoznanie się z rodzajami obróbki cieplno plastycznej i ich wpływem na własności metali. 6.2. Wprowadzenie Obróbką cieplno-plastyczną, zwaną potocznie również obróbką cieplno mechaniczną nazywamy połączenie odkształcenia plastycznego z obróbką cieplną w taki sposób, aby przemiana fazowa zachodziła w warunkach wzrostu gęstości defektów sieci wywołanych odkształceniem. Jak wykazały badania, tą drogą można uzyskać wzrost wytrzymałości bez jednoczesnego spadku plastyczności. Wybór technologii obróbki cieplno plastycznej uzależniony jest od rodzaju stopu i zachodzących w nim przemian. Najprostszymi rodzajami obróbki cieplno-plastycznej w stalach są: hartowanie elementów bezpośrednio po kuciu lub walcowaniu. Inną technologią jest przyspieszone chłodzenie wyrobów po obróbce plastycznej przez natrysk wodą, nadmuch sprężonym powietrzem, zanurzenie w zimnej wodzie. Stosuje się także tzw. Wstępną obróbkę cieplno plastyczną polegającą na odkształceniu plastycznym na zimno, szybkim nagrzewaniu do temperatury austenityzowania i szybkim schłodzeniu. Technologie obróbki cieplno plastycznej umożliwiają zwiększenie wytrzymałości wyrobów o 20 30% i mogą być stosowane do wszystkich stali. 6.2.1. Podstawowe rodzaje obróbki cieplno - plastycznej Obróbka cieplna jest dziedziną technologii mającą na celu polepszenie własności mechanicznych i fizyko chemicznych metali i stopów poprzez zmianę struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania ośrodka. Rodzaje zabiegów obróbki plastycznej przedstawiono na rys. 6.1. Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali i stopów wyróżniamy następujące rodzaje obróbki cieplnej: - obróbkę cieplną zwykłą, - obróbkę cieplno chemiczną, - obróbkę cieplno plastyczną, - obróbkę cieplno magnetyczną. Istotą obróbki cieplno plastycznej jest powstanie podstruktury zależnej od temperatury, stopnia gniotu, szybkości odkształcenia plastycznego metali i stopów. W zależności od temperatury w jakiej odkształcamy plastycznie metal można obróbkę cieplno plastyczną podzielić na : 1 wysokotemperaturową (WTOCP), 2 - niskotemperaturową (NTOCP), 3 kombinowaną (KOCP) i 4 wielostopniową OCP. Rodzaje tych obróbek pokazano schematycznie na rys. 6.2; linia zygzakowata oznacza odkształcenie plastyczne. 67
Rys. 6.1. Rodzaje zabiegów obróbki plastycznej [1] Rys. 6.2. Schemat obróbki cieplno-plastycznej: 1 - WTOCP, 2 - NTOCP, 3 - KOCP, 4 - wielostopniowa OCP (wwwww oznacza odkształcenie) [3] Obróbka wysokotemperaturowa (WTOCP) polega na odkształcaniu materiału w wysokiej temperaturze, wyższej niż temperatura rekrystalizacji. Powoduje ona polepszenie własności ciągliwych i plastycznych przy niewielkich zmianach własności wytrzymałościowych. Obróbka niskotemperaturowa (NTOCP) polega na odkształceniu plastycznym w temperaturze niższej niż temperatura rekrystalizacji, ale powyżej M s. Powoduje ona zwykle znaczne zwiększenie wytrzymałości bez pogorszenia własności plastycznych metali i stopów. Obróbka kombinowana (WTOCP) - odkształcenie materiału następuje zarówno w wysokiej, jak i niskiej temperaturze. W obróbce cieplno plastycznej wielostopniowej występuje wielokrotne odkształcenie w stopniowa obniżającej się temperaturze. 68
Na rys. 6.3 przedstawiono schemat izotermicznych obróbek cieplno plastycznych stali polegających na zastąpieniu przemiany martenzytycznej perlityczną lub bainityczną. Rys. 6.3. Schemat obróbki cieplno-plastycznej z przemianą izotermiczną: 1 - perlityczną (izoforming), 2 - bainityczną (wwwww oznacza odkształcenie): a) z odkształceniem bainitu, b) z odkształceniem austenitu [3] Dla stopów metali nieżelaznych można stosować obróbki cieplno plastyczne nisko- i wysokotemperaturowe jak i obróbki kombinowane. 6.2.2. Wpływ obróbki cieplno plastycznej na strukturę W stalach poddanych OCP zachodzi przede wszystkim rozdrobnienie struktury i zwiększenie gęstości defektów. W wyniku WTOCP struktura austenit ulega poligonizacji ze zwiększoną ilością defektów, które przechodzą do martenzytu. Z kolei odkształcenie austenitu w zakresie 20% powoduje obniżenie M s a tym samym utrudnia powstawanie martenzytu zwiększając ilość austenitu szczątkowego, który można rozłożyć przeprowadzając wymrażanie. Wraz ze wzrostem stopnia odkształcenia linia GOS przesuwa się w lewo dół (rys. 6.4). Rys. 6.4. Wpływ wielkości odkształcenia (ε) na położenie linii na wykresie fazowym Fe Fe 3 C [4] 69
Gdy przeprowadzamy OCP z przemianami izotermicznymi, następuje rozdrobnieni struktury i utworzenie się podstruktury w ferrycie. Po NTOPC austenit nie może rekrystalizować i wówczas pozostaje duża ilość dyslokacji, w których segregują atomy węgla i azotu, a wydzielające się dyspersyjne węgliki lub węgliko azotki hamują ruch dyslokacji. W celu uzyskania struktury drobnoziarnistej stali konstrukcyjnej, zapewniającej wysoką granice plastyczności i niską temperaturę przejścia w stan kruchy stosuje się obniżenie temperatury końca odkształcenia plastycznego ok. 850 0 C. Proces ten stosowany jest w technologii regulowanego walcowania czy kucia. Schemat regulowanego walcowania stali przedstawia rys. 6.5. Rys. 6.5. Schemat regulowanego walcowania stali [1] Oprócz walcowania regulowanego, w celu uzyskania drobnoziarnistej struktury ferrytyczno-bainitycznej, bainitycznej lub manenzytycznej dla stali z mikrododatkami, stosuje się wydajniejszą technologię walcowania ze sterowaną rekrystalizacją. 6.2.3. Wpływ obróbki cieplno plastycznej na własności metali Obróbka cieplno plastyczna jest jednym z najtańszych sposobów poprawy własności mechanicznych wielu stopów. Wpływ OPC na własności stali po odkształceniu ε = 85% przedstawiono w tablicy 6.1 oraz na rys. 6.6 i 6.7. Tablica 6.1. Wpływ NTOCP i WTOCP na własności stali po odkształceniu ε = 85% [3] Rodzaj obróbki Gatunek stali R m MPa R 0,2 MPa A % NTOCP 40HSNBF 40HGSNMF 2760(2000) 2800(2110) 2260(1660) 2250(1840) 5,9(5,5) 7,1(8,0) WTOCP 40HSNBF 2370(2000) 2150(1660) 8,1(5,9) po odpuszcz. 40H2NSMF 2300(1910) 2140(1590) 9,1(6,4) 7,0(6,0) 200 C 50S2G 2700(2250) 2350(1920) W nawiasach podano własności po ulepszeniu. 70
Rys.6.6. Wpływ stopnia odkształcania w temp. 329 0 C na własności stali 37H2NGSM. Po przemianie bainitycznej stal odpuszczano w 200 0 C [3] Rys. 6.7. Wpływ stopnia odkształcenia przy WTOCP na własności mechaniczne stali 50HN4MA [3] Porównując własności po wysoko- i niskotemperaturowej OCP można zauważyć, że w wyniku odkształcenia w niskiej temperaturze uzyskuje się materiał o większej wytrzymałości i mniejszej ciągliwości (małej odporności na kruche pękanie), a w wyniku odkształcenia w wy- 71
sokiej temperaturze - na odwrót. Stosując kombinowaną OCP można osiągnąć zarówno wysoką wytrzymałość, jak i dużą ciągliwość. Stosując OCP z przemianą bainityczną również uzyskuje się dobrą kombinację wytrzymałości i ciągliwości, a odporność na rozprzestrzenianie się pęknięć jest nawet dziesięciokrotnie większa niż po zwykłym ulepszaniu cieplnym, a ponadto dodatkową korzyścią ze stosowania OCP jest zmniejszenie kruchości odpuszczania stali. 6.3. Pomoce i urządzenia - ciągarka, - maszyna wytrzymałościowa, - skręcarka, - przeginarka 6.4. Instrukcja do ćwiczenia - ciągnienie drutu w różnych temperaturach, - badanie własności wytrzymałościowych i plastycznych na maszynie wytrzymałościowej, - próba skręcania, - próba przeginania, - sporządzenie sprawozdania. Literatura 1. Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT W-wa 2002 2. Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT W-wa 1998 3. Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT W-wa 2003 4. Przybyłowicz K.: Strukturalne aspekty odkształcania metali. WNT W-wa 2002 Opracował: dr inż. Robert Skoblik 72