Hartowno stali Podatno stali na hartowanie, zwana hartownoci, jest wyraana zalenoci przyrostu twardoci w wyniku hartowania od temperatury austenityzowania i szybkoci chłodzenia. O hartownoci stali współdecyduje: utwardzalno, przehartowalno.
Utwardzalno jest to podatno stali na hartowanie, miar której jest zaleno najwikszej moliwej do uzyskania po hartowaniu twardoci od warunków austenityzowania. Utwardzalno jest uzaleniona od warunków austenityzowania oraz stenia wgla w austenicie (rys.1).
Rys. 1 Wpływ stenia wgla na twardo stali zahartowanej o rónym udziale martenzytu w strukturze (wg J.M. Hodge a i M.A. Orehoskiego)
Przehartowalno jest to podatno stali na hartownie wyraona zalenoci przyrostu twardoci w wyniku hartowania od szybkoci chłodzenia. Na przehartowalno w sposób znaczcy wpływaj stenie wgla i stenie pierwiastków stopowych rozpuszczonych w roztworze stałym podczas austenityzowania, wielko ziarn austenitu oraz stopie jednorodnoci tej fazy.
Do celów praktycznych, a w szczególnoci do porównania hartownoci rónych gatunków stali dogodnymi liczbowymi miernikami tej własnoci s: rednica krytyczna oraz współczynnik intensywnoci chłodzenia.
rednica krytyczna D k jest najwiksz rednic prta, w którym po zahartowaniu w orodku o okrelonej intensywnoci chłodzenia w osi przekroju poprzecznego obrabianego elementu uzyskuje si struktur złoon z co najmniej k% martenzytu (indeks k odpowiada udziałowi martenzytu podanemu w %, np. D 80 lub D 50 rys. 2). rednica D 50 jest nazwana rednic półmartenzytyczn.
Rys. 2 Schemat zalenoci gruboci warstwy zahartowanej w prcie o rednicy d od krytycznej szybkoci chłodzenia rónych stali o hartownoci: a) małej, b) redniej, c) duej
Materiały metalowe Współczynnik intensywnoci chłodzenia H okrela zdolno orodka ozibiajcego do odbierania ciepła. Wielko ta moe zmienia sw warto od H=0 dla orodka, który jest idealnym izolatorem, czyli zupełnie nie odbiera ciepła, do H= dla idealnego orodka chłodzcego, w którym powierzchnia przedmiotu chłodzonego natychmiast ozibiałoby si do temperatury orodka. rednica krytyczna odpowiadajca idealnemu orodkowi nosi nazw idealnej rednicy krytycznej D I
Eksperymentalne metody oceny hartownoci Do najbardziej znanych metod oceny hartownoci nale: metoda Shepharda, metoda Jominy ego, metoda krzywych U.
Metoda Shepherda Najstarsz metod oceny hartownoci jest metoda Shepharda, polegajca na obserwacji przełomów próbek zahartowanych w 10% roztworze wodnym soli kuchennej. Próbki o rednicy 19 mm i długoci 75 mm, z nacitym karbem, po hartowaniu w temperaturze 790, 815, 840 i 870 O C łamie si i okrela głboko strefy zahartowanej oraz wielko ziarn na podstawie porównania z kompletem wzorców w skali Jernkontoret. Metoda Shepharda jest stosowana obecnie do badania hartownoci stali wglowych narzdziowych.
Metoda Jominy ego Metoda Jominy ego hartowania od czoła (PN EN ISO 642:2002) polega na ozibianiu strumieniem wody, czołowej powierzchni próbki walcowej o rednicy 25 mm i długoci 100 mm, po austenityzowaniu w warunkach zalecanych dla danego gatunku stali. Próba odbywa si na stanowisku, którego schemat przedstawiono na rys.3.
Rys.3 Schemat urzdzenia od prób hartownoci metod chłodzenia od czoła: 1 zbiornik z wod, 2 wanna, 3 zawór, 4 dysza wodna, 5 przesłona, 6 uchwyt próbki, 7 próbka
Na próbce zahartowanej w tych warunkach przeprowadza si pomiary twardoci wzdłu zeszlifowanych tworzcych próbki w odległoci co 1,5 3 5 7 9 11 13 15 mm i dalej co 5 mm poczynajc od czoła próbki. Nastpnie sporzdza si wykres twardoci w funkcji odległoci od czoła próbki (rys.4), zwany krzyw hartownoci, nanoszc rednie wyników pomiarów twardoci z dwóch przeciwległych tworzcych.
Rys. 4 Krzywa hartownoci, próbka i jej wymiary oraz sposób wyznaczania rednicy półmartenzytycznej D 50.
Wobec rozrzutu składu chemicznego stali dopuszczalnego przez normy, dla stali tego samego gatunku z poszczególnych wytopów uzyskuje si krzywe hartownoci nieco rónice si midzy sob. Obszar midzy maksymalnymi, a minimalnymi wartociami twardoci jest nazwany pasmem hartownoci (rys.5).
Rys. 5 Pasma hartownoci wybranych gatunków stali (A. P. Gulajew)
Metoda krzywych U Metoda krzywych U okrelania hartownoci polega na hartowaniu w stałych warunkach prtów z danego gatunku stali o rónych rednicach i wyznaczaniu rozkładu twardoci na przekroju poprzecznym kadego prta wzdłu rednicy. Wyniki próby podaje si w postaci wykresu twardoci w funkcji odległoci od rodka próbki wzdłu rednicy. Punkt przegicia na krzywej twardoci odpowiada rednicy krytycznej przekroju, w którym wystpuje 50% martenzytu D 50 (rys.6)
Rys. 6 Rozkład twardoci wzdłurednicy przekroju poprzecznego zahartowanych prtów oraz sposób wyznaczania rednicy krytycznej D 50
Obliczanie idealnej rednicy krytycznej (metoda Grossmanna) Jedn z metod obliczeniowych oceny hartownoci jest metoda opracowana przez Grossmanna, polegajca na wyznaczeniu rednicy idealnej na podstawie składu chemicznego.
W metodzie tej idealn rednic krytyczn D I oblicza si na podstawie iloczynu dowiadczalnie wyznaczonych mnoników w postaci: D I = D k k... Ic 1 2 k n gdzie: D I idealna rednica krytyczna, D Ic idealna rednica podstawowa, tj. D I dla stali wglowej o tej samej zawartoci wgla i wielkoci ziarna co badana stal stopowa, k 1 k n mnoniki hartownoci dla poszczególnych pierwiastków.
W celu uproszczenia oblicze idealnej rednicy krytycznej zaleno (1) zlogarytmowano, zastpujc iloczyn sum. W tablicach 1 i 2 ujto wartoci odpowiednich czynników w zalenoci od procentowej zawartoci pierwiastków stopowych i wielkoci ziarn, które po zsumowaniu pozwalaj na okrelenie D I z tablicy 3. Bardziej szczegółowo zagadnienie dotyczce metod obliczania i modelowania hartownoci przedstawiono w pracy L.A. Dobrzaskiego: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa, 2002 r.
Tablica 1 Współczynniki sumy w metodzie logarytmicznej ujmujce wpływ wgla i wyjciow wielko ziarn. Zawarto wgla % Wielko ziarn (nr wg PN) Zawarto wgla % Wielko ziarn (nr wg PN) 5 6 7 8 5 6 7 8 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,101 0,184 0,247 0,297 0,337 0,368 0,398 0,423 0,448 0,062 0,150 0,210 0,260 0,299 0,333 0,362 0,387 0,412 0,029 0,119 0,179 0,225 0,267 0,301 0,329 0,351 0,377 0,084 0,146 0,193 0,230 0,266 0,296 0,320 0,343 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,469 0,489 0,507 0,523 0,539 0,551 0,563 0,574 0,435 0,454 0,470 0,485 0,500 0,513 0,526 0,539 0,400 0,419 0,436 0,452 0,467 0,481 0,494 0,507 0,364 0,382 0,400 0,413 0,415 0,444 0,458 0,471
Materiały metalowe Tablica 2 Współczynniki sumy w metodzie logarytmicznej ujmujce wpływ pierwiastków stopowych 0,491 0,512 0,531 0,550 0,568 0,400 0,418 0,436 0,453 0,469 0,485 0,500 0,528 0,555 0,581 0,605 0,627 0,650 0,670 0,099 0,105 0,111 0,117 0,123 0,129 0,135 0,146 0,157 0,168 0,173 0,190 0,203 0,215 0,228 0,243 0,250 0,262 0,275 0,288 0,173 0,183 0,193 0,203 0,212 0,221 0,230 0,248 0,265 0,281 0,297 0,312 0,326 0,340 0,354 0,367 0,381 0,523 0,544 0,564 0,584 0,602 0,620 0,637 0,669 0,702 0,741 0,780 0,815 0,848 0,878 0,908 0,936 0,960 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 0,013 0,025 0,049 0,072 0,094 0,114 0,134 0,152 0,170 0,188 0,204 0,244 0,279 0,312 0,342 0,375 0,398 0,423 0,447 0,470 0,009 0,018 0,036 0,053 0,069 0,085 0,101 0,115 0,129 0,143 0,156 0,187 0,217 0,244 0,270 0,295 0,318 0,340 0,361 0,381 0,002 0,003 0,006 0,009 0,012 0,015 0,019 0,022 0,024 0,028 0,030 0,038 0,045 0,052 0,059 0,066 0,073 0,079 0,086 0,092 0,003 0,006 0,012 0,018 0,024 0,029 0,035 0,041 0,046 0,052 0,057 0,070 0,083 0,095 0,107 0,119 0,130 0,141 0,152 0,163 0,014 0,028 0,054 0,079 0,130 0,125 0,146 0,166 0,186 0,204 0,222 0,263 0,301 0,336 0,368 0,398 0,426 0,452 0,477 0,501 0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 Mo Cr Ni Si Mn Mo Cr Ni Si Mn Pierwiastek Zawarto % Pierwiastek Zawarto %
Tablica 3 Warto idealnej rednicy krytycznej w zalenoci od sumy współczynników Suma współczynników D I idealna rednica krytyczna mm Suma współczynników D I idealna rednica krytyczna mm 0,595 0,771 0,896 0,993 1,072 1,139 1,197 1,248 1,294 0,336 0,373 1,408 1,440 1,470 1,498 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 1,525 1,549 1,573 1,595 1,616 1,637 1,656 1,674 1,692 1,797 1,725 1,741 1,756 1,771 1,799 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 160
Odpuszczalno Reagowanie struktury utworzonej z przechłodzonego austenitu na odpuszczanie jest nazywane odpuszczalnoci. Zwykle pojcie odpuszczalnoci ogranicza si do ujmowania zalenoci twardoci od temperatury odpuszczania przy stałym czasie tej operacji. Odpuszczalno zaley od struktury stali po hartowaniu i jest cile zwizana z temperatur i czasem odpuszczania.
Wpływ temperatury i czasu odpuszczania na twardo stali wglowej ujmuje parametr odpuszczania M J.H. Hollomona i L.D. Jaffe a: M = T ( C + logτ ) gdzie: T temperatura odpuszczania w skali bezwzgldnej, K, τ czas odpuszczania, s, C stała zalena od stenia wgla.
Odczytanie odpowiednich wartoci twardoci po odpuszczaniu w rónych warunkach umoliwiaj specjalne nomogramy. Nomogram oprócz wpływu temperatury i czasu odpuszczania ujmuje oddziaływanie stenia wgla na twardo stali odpuszczonej po uprzednim zahartowaniu w warunkach zapewniajcych otrzymanie niemal wyłcznie struktury martenzytycznej. W rzeczywistoci w wyniku hartowania nie uzyskuje si wyłcznie struktury martenzytycznej. Twardo stali moe by wówczas mniejsza od twardoci martenzytu stali o danym steniu wgla.
Z tego wzgldu znaczenie praktyczne uzyskuj równie nomogramy uwzgldniajce wpływ rónych struktur po hartowaniu na twardo stali odpuszczonej w rónych warunkach. Nomogram dla danego gatunku stali, umoliwia okrelenie warunków odpuszczania w celu uzyskania wymaganej twardoci. W przypadkach stali stopowych zmiany twardoci w funkcji temperatury odpuszczania nie maj monotonicznego charakteru i z tego wzgldu nie s ujmowane w prostej formie nomogramów. Parametr odpuszczenia jest wówczas nieprzydatny do opisywania własnoci tych stali.
Dobór stali o wymaganych własnociach po odpuszczaniu polega na doborze stali, która po hartowaniu i odpuszczaniu powinna wykazywa wymagan granic plastycznoci lub wytrzymałoci. Do rozwizania zadania konieczna jest znajomo przynajmniej orientacyjnej zalenoci wytrzymałoci i granicy plastycznoci od twardoci w stanie zahartowanym i odpuszczonym (rys. 7), a take korelacji midzy twardoci po hartowaniu i po odpuszczaniu.
Rys. 7 Korelacja granicy plastycznoci i twardoci stali konstrukcyjnych ulepszonych cieplnie (wg. E. Houdremonta)
normie DIN 17021 1976 podano zalenoci liniowe dla stali konstrukcyjnych ulepszonych cieplnie z odpuszczaniem w temperaturze 500 i 600 O C (rys. 8). Zastosowanie wykresów proponowanych przez norm DIN 17021 1976 prowadzi do stawiania nierealnych wymaga w stosunku do twardoci stali po hartowaniu (HRC = 6380). Z tego wzgldu zalenoci te mog by wyłcznie stosowane dla niszych twardoci po odpuszczaniu, poniej 35 HRC dla temperatury 600 C i poniej 45 HRC dla temperatury odpuszczania 500 C. Dla wyszych wartoci twardoci mog by wykorzystane zalenoci podane na rysunku 9.
Rys. 8 Twardo stali odpuszczonej w temperaturze 500 O C i 600 O C w zalenoci od twardoci po hartowaniu
Rys. 9 Korelacja midzy wytrzymałoci a granic plastycznoci, wydłueniem i przeweniem stali stopowych ulepszonych cieplnie (wg E.J. Janitzky ego i M. Baeyertza)
Współczesne programy komputerowe wspomagajce dobór materiałów CAMS (computer aided materials selection ) zawieraj bazy danych obejmujce wpływ warunków hartowania i odpuszczania na własnoci rónych gatunków stali i procedury obliczeniowe umoliwiajce dobór stali do oczekiwanych zastosowa z uwzgldnieniem własnoci stali po odpuszczaniu. Okrelenie przez konstruktora wymaganej twardoci lub granicy plastycznoci elementu konstrukcyjnego oraz ustalenie gruboci, na której te wymagania mog by spełnione, umoliwia dobranie, przy uyciu CAMS, odpowiedniego gatunku stali, poprzez okrelenie jej składu chemicznego oraz ustalenie właciwych warunków obróbki cieplnej tzn. hartowania i odpuszczania.