32/23 Soiditikation of Metais nnd Aoys, No. 32, 1997 Krzepnięcie Metai i Stopów, Nr 32, 1997 PAN- Oddział Katowice PL ISSN 0201!-9386 ZMODYFIKOWANA PRÓBA JOMINY ".J-M" JURA Stanisaw, JURA Zbigniew, LABĘCKI Mariusz. SUCHOŃ Jacek, Katedra Odewnictwa Poitechniki Śąskiej u. Towarowa nr 7, 44-100 GLIWICE Streszczenie Typową próbkę do badania twardości metodą Jominy zaizoowano ciepnie na pobocznicy. Uzyskano w ten sposób jednokierunkowy odpływ ciepła. Stwarzano przybiżone warunki jakie panują w ściance odewu pociczas chłodzenia. Opracowana ( d') za e ż ność HI?.C = f d - pozwaa w procesie symuacji ciepnej na okreśenie poa twardości w dowonym przekroju odewu.. Wstęp Próba Jominy jest dobrze znana wszystkim metaurgom i metaoznawcom. Szczegóną roę spełnia w badaniu procesów uepszania ciepnego stai konstrukcyjnej oraz narzędziowej. Z próby tej korzystają producenci stai podając charakterystyk i zmian twardości stai w zaeżn ości odegłości od czoła chłodzonego wodą. Warunki wykonania tej próby podają w każdym kraju normy. W Posce jest to nor111a: PN-79/H-04402 rys. (A). Najogóniej opisując jest o próbka o średnicy 25 mm i długości pomiarowej 00 mm. Próbkę tę nagrzewa się do temperatury
179 hartowania a następnie zakłada się do przyrządu i chłodzi stałym strumieniem wody od czo ła. Po schłodzeniu próbkę szifuje się po pobocznicy i w odpowiednich odstępach, +.---1 m n sa ;,oa.:yj,;a. 125 100 A 13 ~: u ra swu wn t n t WOUA t t t t \VOJ)A Rys. Próba Jominy do badania ha11own o ś c i od czo a. A- typowa próba Jominy, "J", B- modyfikowan a próba Jominy, "J-M " i cz ąc od czoła, bada s 1ę twardość. Przykładowy wykres zmmn twardo ś ci przedstawiono na 1ys.2. Ze wzgędu na różną prędko ś ć studzenia otrzymuje s ię w różnych odegłościach od czoła różną twardość. Spowodowane to jest powstaniem r óżny ch struktur w procesie chłodzenia i przemian fazowych. 2. Modyfikowana próba Jominy J-M. Kasyczna próba Jominy oddaa n1eocen10ne wartości w in żyn1 c rii materiałowej, w szczegóności da badania kinetyki przemian fazowych stai i stopów ż eaza. Próba ta jednak do ceów obróbki ciepnej odewów nie jest tak powszechnie stosowania. A to chociażb y datego, że odewy wykonuje się o złożonych ks z tałtach, o
180 różnej grubości ścian z różnego rodzaju narożnikami, otworami i wkęśnięciami. Wszystko to utrudnia interpretacje i okaizacje różnych struktur w odewie. Według Autorów próba Jorniny,)" w swojej kasycznej formie stygnie znacznie szybciej niż np. bacha o tej sam~ti grubości chłodzonej z jednej strony wodą. Według symuacyjnych obiczeń ciepnych różnica ta może być nawet dwukrotna. Oczywistym wydaje się być, że w takiej sytuacji twardość będzie inaczej rozkładać się w funkcji odegłości od czoła próbki czy od powierzchni chłodzonej bachy. Mając na uwadze te różnice postanowiono da ceów obróbki ciepnej odewów zmodyfikować próbę Jominy. Zmiany konstrukcyjne tej próby przedstawiono na rys.. Typową próbkę Jorniny nawiercono ceem zamontowania termopary pomiarowej. Głębokość nawiercenia otworu może być dowona. W badaniach zastosowano odegłości: 20, 40, 50, 70 mm icząc od czoła próbki czyi odegłość od powierzchni chłodzonej. Próbkę zaformowano w rurce staowej wypełnionej masą izoacyjną. Jako wypełnienie najkorzystniej jest stosować masy z włókna szkanego o niskim ciężarze właściwym (objętościowym). Ceem tej masy izoacyjnej jest minimaizacja pojemności ciepnej oraz maksymana izoacja ciepna. Zaformowaną próbkę Jorniny nagrzewa się w typowy sposób a następnie chłodzi się od czoła. Pomiarów szybkości chłodzenia można dokonać da kiku próbek o różnej głębokości otworów na termoparę. Po ochłodzeni wyjmuje się próbkę, szifuje i dokonuje pomiaru twardości (HRC). Również na odpowiednich odegłościach od czoła można przeciąć próbki i dokonać metaograficznej oceny struktury. Przykładowe wyniki pomiaru twardości da próby zmodyfikowanej przedstawiono na rys. 2. Próbkę wykonano ze stai o następującym składzie chemicznym: C-0. 75%, Si-0.27%, Mn-1.17%, P- 0.028%, S-0.019%. 3. Intensywność stygnięcia Parametrem decydującym o twardości próbki i jej strukturze jest szybkość zmian temperatury w czasie przemian aotropowych. Badania chłodzenia przeprowadzono da kasycznej próby Jorniny,)" oraz da modyfikowanej próby "J-M".
181 Wyniki pomiarów i obiczeń przedstawiono na rys. 3. Kasyczna próba Jorniny stygnie znacznie szybcit~j niż próba modyfikowana. Jest to w pełni uzasadnione, próbka kasyczna oddaje ciepło przez pobocznicę do otoczenia. Modyfikowana próbka "J.t -1'' ma całą pobocznicę zaizoowaną. HRC 60.' ' ~\ \ 50 40 30 L L \ ~,~~., ~ '""---. ~ ~... ~~ -" ~~ ""-, ~ ~ ' ~ ---; ~ '--, ~~ ",, -,_ ~ """" '- ' ""--! -- """" ~"" -- ---:~ ---!"" 1----- ~-., ' "" 20 o 20 40 60 80 odegłość od czoła [mm] Rys.2. Pomiar twardości HRC na modyfikowanej próbie Jorniny "J-M" da stai zawartości 0,75% C Symuacje ciepnąpróby normanej,,j" i modyfikowanej,,j-m" przedstawiono rys. 4 i 5. Przedstawione obrazy izoterm obejmujązakres temperatur 600 do 700 st. C. Jest to zakres w którym zachodząprzemiany aotropowe stai. Poe temperatur obiczono przy
dt/dt (K/s] 182 10,------- ----- -------- --- - 8 4 1------1 o 20 40 j 60 BO odegłość od czoła [mm] Rys.3. Szybkość stygnięcia próbki Jominy "J" oraz modyfikowanej próby Jominy "J-M" 1: 1: t t 1: t -9 9 <»: (~. t. t. 1: t 1: 700.0 61!7.5 675.0 662.5 650.0 637.5 625. 0 612.5 60U.O 1-----ł. c... j 20. 00 [s) j 40.00[s j 120.0(s. ] Rys.4. Poe temperatur w czasie stygnięcia i przemian aotropowych w kasycznej próbie Jominy "J"
183 "C 1::. i 4 d> r 1: : ' 7UU. U 6U?.S (,7'5. 0 662.5 650.0 637.5 625.0 6.t2. 5 C.OU.O i20 ti> ł-----i1 c" iso ts?.50 [s),,,. Rys 5. Poe temperatur w czasie stygnięcia i przemian aotropowych w "modyfi kowanej próbie Jominy "J-M" pomocy symuacyj nego programu CodCAST. Można stosować inne programy - np. SMTEC-RWP. Porównując te obrazy widoczne są izotermy poziome w próbie modyfikowanej aż do odegłości 70 nun. Potwierdza to prawidłowość próby co daje podstawy do wnioskowania o twardości i strukturze w ś ciance odewu. 4. Symuacja rozkładu twardości w odewie Rozwijające s1ę intensywnie teorie symuacji obejmują nte tyko procesy ciepne ae również skurczowe, dyfuzyjne, procesy powstawania struktwy i inne. Mając dosyć dobty sposób okreśania stygnięcia próbki "J-M" oraz łatwy sposób pomiaru twardości można tworzyć funkcje symuacji rozkładu twardo ś ci w próbie "J.. M" a tym samym w ściance odewu. Przyjmując wyniki bada!'t przedstawione ma rys.2
184 oraz rezutaty obiczet1 przedstawione na rys. 3, skonstruowano nowy wykres twardości w funkcji szybkości stygnięcia w strefie przemian. Wyniki przedstawiono na tys. 6. Na podstawie otrzymanych rezutatów można przebieg krzywej opisać funkcją: HRC = 26+2.33 ( ~) W programie symuacji ciepnej łatwo można za pisać tę zaeż ność i utworzyć poa rozkładu twardości w dowony przekrojach odewu. HRC 80 ---T-----1 --r----- 60 ~i--tr C = 26 + 2.33 * (dt/dij] --==_T~~~=~ --- 40 -------- - -------- ---- - 20 o '-----------''------- --'----------- o 2 4 6 8 10 szybkość chłodzenia dt/dt [K/s) Rys.6. Zaeżność między twardością HRC a szybkością chłodzenia (dt/dt) próbki ze stai o zawartości 0,75% C
185 Wnioski Przedstawiony sposób przeprowadzenia próby Jominy "J-M" zmodyfikowanej w zakresie sposobu chłodzenia pozwaa na okreśenie twardości w ściance odewu. Warunki'em poprawności próby jest uzyskanie jednokierunkowego przepływu ciepła. B łędy w próbie zaeżne są od masy izoacyjnej. Masa taka powinna cechować się małym ciężarem właściwym i małym przewodnictwem ciepnym. Opracowane w ten sposób równanie opisujące zaeżność twardości od szybkości chłodzenia może być stosowane w programach symuacji ciepnej. Można w ten sposób okreśić poe twardości na dowonym przekroju odewu. Literatura [] Poska Norma- PN-79/H-04402 [2] Me Adarus W. H. : Heat transmisson, wyd., 1954 [3] Tououkian Y. S. : Thennofizykch pro p. o f high temp. soid me ts 1967