Politechnika Łódzka Wydział Mechaniczny Instytut Inżynierii Materiałowej LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH Ćwiczenie nr 6 Temat: Stale w stanie ulepszonym cieplnie Łódź 2010
Cel ćwiczenia Zapoznanie się z obróbkami cieplnymi stopów żelaza oraz strukturami stali po ulepszaniu cieplnym. Wstęp Obróbkę cieplną definiuje się jako proces technologiczny, w wyniku którego zmienia się własności mechaniczne i fizykochemiczne metali i stopów w stanie stałym, przede wszystkim przez wywołanie zmian strukturalnych będących głównie funkcją temperatury, czasu oraz działania środowiska". Inaczej można powiedzieć że pod pojęciem obróbki cieplnej rozumiemy odpowiednio dobrane zabiegi cieplne, które prowadzą do poprawy własności stali przez zmiany struktury, wywołane przemianami fazowymi zachodzącymi w stanie stałym. W obróbce cieplnej rozróżnia się operację i zabiegi. Operacja to rodzaj procesu technologicznego (np. hartowanie, wyżarzanie), natomiast zabiegiem nazywamy część operacji (np. nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie). Operacja składa się zwykle z kilku zabiegów. Do najważniejszych zabiegów obróbki cieplnej należą: Nagrzewnie ciągłe lub stopniowe podwyższanie temperatury elementu obrabianego cieplnie, Wygrzewanie polega na wytrzymaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze, Chłodzenie to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu. T o C t nagrzewania t wygrzewania t chłodzenia t Rys. 1. Przykładowy schemat operacji obróbki cieplnej w układzie temperatura - czas. Na ogół w wyniku przeprowadzenia różnych obróbek cieplnych otrzymuje się fazy lub struktury odległe od stanu równowagi. Jako przykład może posłużyć struktura uzyskana po hartowaniu stali lub po odkształceniu plastycznym na zimno. W obu przypadkach struktura odbiega od równowagi, określonej najniższą energią swobodną, a mimo to jest
stabilna o ile nie zostanie poddana działaniu temperatury. Struktury takie nazywa się metastabilnymi. Zgodnie z prawami termodynamiki istnieć będzie w nich dążność do osiągnięcia stanu równowagi. Siłą napędową realizacji tej dążności jest różnica energii swobodnej F między stanem rzeczywistym (nierównowagowym), uzyskanym po obróbce cieplnej, a stanem równowagi w określonych warunkach. Zwykle czynnikiem powodującym uruchomienie procesów powrotu do równowagi jest dostarczenie do układu pewnej ilości energii (zwykle energii cieplnej) Ogólnie można powiedzieć, że w wyniku obróbek cieplnych przeprowadzonych w celu uzyskiwania wyższych właściwości wytrzymałościowych otrzymuje się: fazy, struktury nierównowagowe - metastabilne (np. martenzyt w stali), duży stopień rozdrobnienia ziarna faz i struktur bliskich stanu równowagi (np. sorbit), fazy będące roztworami, w których w pewnych obszarach ziarn wywołuje się grupowanie atomów drugiego składnika (stref-g-p) co powoduje sprężyste odkształcenie sieci, skrócenie swobodnej drogi ruchu dyslokacji a w konsekwencji umocnienie stopu. Uproszczoną istotą obróbki cieplnej w sensie czynności praktycznych jest nagrzewanie stopu-metalu z określoną prędkością do założonej temperatury, wygrzanie w tej temperaturze w wymaganym czasie i chłodzenie z różnymi prędkościami. Jak jest wspomniane wcześniej te cząstkowe okresy obróbki nazywa się zabiegami a cały ich zespół nosi nazwę operacji. Warto odnotować, że w naszym kręgu cywilizacji śródziemnomorskiej pewne obróbki cieplne stosowano do stali już ponad 2000 lat temu, o czym mówią zapiski greckie (Pliniusz 23 r pne.) Świadczy to o stałej potrzebie człowieka uzyskiwania coraz lepszych właściwości materiałów, z których wytwarza się przedmioty użytkowe. 1. Ulepszanie cieplne Najczęściej stosowaną obróbką cieplną do stali konstrukcyjnych, zarówno węglowych jak i stopowych jest ulepszanie cieplne. Składa się ona z dwóch po sobie następujących operacji hartowania i odpuszczania. Pod pojęciem ulepszania cieplnego rozumie się hartowanie i wysokie odpuszczanie tj. w zakresie 550 C-670 C. 1.1. Hartowanie Celem tego zabiegu jest znaczne zwiększenie twardości stali. Polega na nagrzaniu stali podeutektoidalnej do temperatury 30-50 o C powyżej A C3 i następnym ochłodzeniu z prędkością większą od krytycznej, przy czym przy hartowaniu martenzytycznym chłodzi się poniżej temperatury M s aż do zajścia przemiany pośredniej. Stale nadeutektoidalne hartuje się
od temperatury przekraczającej o 30-50 o C A c1, gdyż znajduje się w nich twardy składnik cementyt wtórny. Rozpuszczenie jego byłoby niecelowe, gdyż prowadziłoby do obniżenia twardości nie tylko na skutek jego ubytku, ale i wzrostu ilości austenitu szczątkowego, a poza tym następowałby rozrost ziarn austenitu i większe zużycie energii. Stale węglowe chłodzi się głównie w wodzie, natomiast stale stopowe mogą być chłodzone wolniej, np. W oleju, w niektórych przypadkach nawet w powietrzu. Oziębianie może przy tym odbywać się w cieczy spokojnej, w cieczy o wymuszonym obiegu lub z wykorzystaniem prasy hartowniczej. W wyniku hartowania zwykłego uzyskuje się strukturę martenzytu z austenitem szczątkowym oraz innymi składnikami strukturalnymi, które nie ulegają przemianom podczas obróbki cieplnej, np. z węglikami nie rozpuszczonymi w roztworze stałym podczas austenityzowania lub wtrąceniami niemetalicznymi. Stale zahartowane charakteryzują się bardzo dużą twardością powyżej 60-65 HRC i wysokimi pozostałymi własnościami wytrzymałościowymi oraz niskimi własnościami plastycznymi i dużą kruchością. Rys 2. Zależność twardości martenzytu od zawartości węgla. (wg K. Wesołowski) 1 martenzytu (A 1, 3 + 30 C), 2 stali hartowanej od temperatury A c m + 30 C, 3 struktury składającej się z 50% M + 50% T. Hartowanie polega na nagrzaniu stali do temp. austenityzowania, krótkim wygrzaniu w tej temp i oziębieniu z szybkością umożliwiającą uzyskanie struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Podczas hartowania stali niestopowych oraz stali niskostopowych materiał nagrzewamy do temp. 30 50 C powyżej linii G S K. Natomiast stale wysokostopowe ( nierdzewne, szybkotnące ) nagrzewamy do temp. znacznie wyższych ( 1100 1200 C ) w celu rozpuszczenia się w austenicie węglików i maksymalnego nasycenia roztworu stałego pierwiastkami stopowymi i węglem. Dobór warunków hartowania Hartowanie przeprowadza się na gotowych, pod względem kształtu przedmiotach, w których już zainwestowana zastała praca, materiał i energia. Stąd dobór warunków obróbki cieplnej musi być poprzedzony dokładną analizą wielu czynników, gdyż przez niewłaściwe ich ustalenie można nie osiągnąć zamierzonego efektu lub uszkodzić obrabiany przedmiot. Z
tych względów należy przede wszystkim określić: Szybkość nagrzewania, która związana jest z przewodnością cieplną a ta ze składem chemicznym stali. Stale stopowe posiadają mniejszą przewodność cieplną od stali węglowych, dlatego nagrzewa się je wolniej. W ten sposób unika się deformacji i zmian wymiarowych wywołanych naprężeniami cieplnymi i strukturalnymi. Niezależnie od gatunku stali również wolniej nagrzewa się przedmioty o złożonym kształcie. Temperaturę, do której nagrzewa się przedmiot aby osiągnąć pełną lub częściową austenizację stali. Czas przetrzymywania przedmiotu w określonej temperaturze konieczny do pełnej przemiany fazowej, rozpuszczania węglików i uzyskania jednorodności chemicznej. Szybkość chłodzenia w celu otrzymania struktury martenzytycznej. Wiąże się ona z wartością prędkości krytycznej hartowania i zależnym od niej wyborem ośrodka chłodzącego (np. powietrza, wody, oleju). Praktycznie unika się dużych szybkości chłodzenia jeśli to nie jest konieczne, gdyż podobnie jak w zabiegu nagrzewania w materiale powstają o znacznych wartościach, naprężenia cieplne i strukturalne. 1.2. Odpuszczanie Drugą część ulepszania cieplnego stanowi odpuszczanie, jeżeli w wyniku hartowania uzyskano mikrostrukturę złożoną z martenzytu tetragonalnego i pewnej ilości austenitu szczątkowego (w stalach nadeutektoidalnych trzecim składnikiem strukturalnym jest cementyt) Obie te fazy są w nierównowadze (metastabilne) Mimo to są dość trwałe ponieważ procesy dyfuzyjne niezbędne dla powrotu do równowagi nic zachodzą w temperaturach normalnych. Chcąc uruchomić procesy dyfuzyjne należy je zaktywizować cieplnie co w praktyce znaczy podnieść temperaturę obrabianego elementu. Odpuszczanie, norma cytowana wcześniej określa jako - grzanie przedmiotu poddanego uprzednio hartowaniu do temperatury niższej od temperatury przemiany alotropowej i następne chłodzenie w celu otrzymania stanu bardziej stabilnego. Odpuszczanie polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanego przedmiotu do temperatury niższej od temperatury przemiany eutektoidalnej i wytrzymaniu w tej temperaturze przez czas konieczny do zajścia przemiany, co prowadzi do usunięcia naprężeń oraz przemian wywołujących zmniejszenie twardości i wzrost plastyczności stali. Proces ten można podzielić na stadia, w zależności od temperatury, w których dominują pewne zjawiska. Powodują one zmiany wymiarowe zahartowanej i odpuszczanej próbki stalowej co zostało wykorzystane do ich śledzenia na krzywej dylatometrycznej (rys. 15a). Zakresy temperaturowe poszczególnych stadiów zależne są od składu chemicznego i częściowo różnią się między sobą. W zależności od zakresu temperatury zabiegu rozróżnia się odpuszczanie: Niskie 100-250 o C Poddaje się głównie narzędzia, które powinna cechować wysoka twardość i odporność
na ścieranie. Takie odpuszczanie nie obniża twardości, ale odpręża materiał i zmniejsza jego skłonność do kruchego pękania. W wyniku odpuszczania niskiego uzyskuje się strukturę martenzytu niskoodpuszczonego, który w stalach węglowych jest mieszaniną martenzytu z dyspersyjnymi wydzieleniami węglików typu ε oraz austenitu szczątkowego. Średnie 250-450 o C Jest stosowane w celu nadanie obrabianym elementom wysokiej granicy sprężystości przy równoczesnym polepszeniu ich własności plastycznych. Takie własności powinny mieć sprężyny i resory. Po średnim odpuszczaniu otrzymuje się strukturę odpuszczonego martenzytu o twardości ok. 450 HB. W tym zakresie występuję kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju (nieodwracalna), która objawia się spadkiem udarności przy odpuszczaniu stali węglowych lub stopowych w temp. Ok. 300 o C. Zjawisko to wiąże się z przemianą austenitu szczątkowego lub z nierównomiernym rozkładem martenzytu, który najszybciej przebiega na granicach ziarn. Strukturą stali średnio odpuszczonej jest martenzyt średnioodpuszczony, który w stalach węglowych jest mieszaniną martenzytu oraz dyspersyjnych wydzieleń cementytu i austenitu szczątkowego. Wysokie 450-600 o C Własności wytrzymałościowe wyraźnie maleją, a plastyczne wzrastają. Wiąże się to z istotnymi zmianami strukturalnymi, które zachodzą w tym zakresie temperatur. Powstaje bowiem struktura złożona z ferrytu i bardzo drobnych kulistych wydzieleń cementytu zwanych sorbitem. Udział austenitu szczątkowego jest niewielki. Wysokie odpuszczanie jest zalecane dla elementów maszyn wykonywanych ze stali konstrukcyjnych węglowych i stopowych oraz narzędzi do pracy na gorąco, gdyż po takiej obróbce uzyskuję się optymalną kombinację wytrzymałościowych i plastycznych. Dlatego też połączenie zabiegu hartowania z wysokim lub średnim odpuszczaniem nazywamy ulepszaniem cieplnym stali. Widoczny wpływ na zmianę struktury i własności wywiera różny czas odpuszczania, co wiąże się z dyfuzyjnym charakterem tych zmian. Przy wysokim odpuszczaniu stali stopowych konstrukcyjnych występuję zjawisko zmniejszenia udarności stali po powolnym chłodzeniu, zwane kruchością odpuszczania drugiego rodzaju (odwracalną). Tabela 1. Produkty przemian przechłodzonego austenitu. Zakres temp. przemiany [ o C] 727 680 680 500 500 400 400 300 Produkt przemiany perlit troostyt bainit górny bainit dolny Twardość HB HRC 180 250 < 30 250 450 30 45 400 500 500 600 40 45 45 58 < 300 martenzyt 600 700 58 63
Rys. 3. Zakresy temperatur dla procesów hartowania i odpuszczania przy różnym stężeniu węgla w stali. (wg K. Wesołowski) Podsumowanie Na ogół części maszyn, silników i wiele innych, pracują pod obciążeniem zmiennym (niekiedy udarowym). Tylko hartowanie tych części byłoby niewystarczające, gdyż stale o strukturze martenzytycznej, posiadają wprawdzie wysoką wytrzymałość, odporność na ścieranie i twardość, ale są kruche i nie wykazują cech plastycznych. Ulepszanie cieplne pozwala, więc na uzyskanie optymalnej mikrostruktury, która niejako godzi własności wytrzymałościowe i plastyczne. Daje korzystną wartość inżynierskiego wskaźnika umocnienia R e /R m (wartość jego osiąga 0,9). Ulepszanie cieplne stali znalazło ogromne zastosowanie w technice i konstrukcji elementów maszyn, pojazdów oraz budowli. Powyższe doświadczenie pokazało nam możliwości modyfikacji właściwości stali w zależności od konkretnych potrzeb. Dzięki odpowiedniemu dobraniu warunków hartowania a następnie odpuszczania jesteśmy w stanie uzyskać stale o różnych parametrach wytrzymałościowych, udarnościowych, plastycznych i innych. Często można w ten sposób zastosować tańszą stal węglową ulepszoną cieplnie zamiast drogich stali stopowych.
Zadania do wykonania 1. Dokonać obserwacji mikroskopowych próbek. 2. Wykonać rysunki struktur 3. Zmierzyć twardość próbek po różnych zabiegach obróbki cieplnej 4. Wykres słupkowy przedstawiający zależność twardości do rodzaju obróbki cieplnej. Sprawozdanie 1. Cel ćwiczenia 2. Wstęp teoretyczny 3. Rysunki struktur wraz z opisem wg schematu: Materiał Stan materiału Struktura Powiększenie Trawienie 4. Wnioski i uwagi Wyposażenie stanowiska: Próbki ze stali C55 i 41Cr4 po obróbce cieplnej Mikroskop metalograficzny Met-3 Twardościomierz ROCKWELL Literatura: 1. Przybyłowicz K., Metaloznawstwo, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007. 2. Dobrzański L. A., Hajduczek E.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. Mikroskopia świetlna i elektronowa. WNT, Warszawa 1987. 3. Wesołowski K. Metaloznawstwo i obróbka cieplna, wyd. WNT 1972 Warszawa. 4. Haimann R. Metaloznawstwo, wyd. Politechnika Wrocławska 1974. 5. Prowans St. Struktura stopów, wyd. PWN 1991 Warszawa 6. Wykłady Nauka o Materiałach UWAGA: Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia student zobowiązany jest zapoznać się z przepisami BHP