Politechnika Łódzka Wydział Mechaniczny Instytut Inżynierii Materiałowej LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH Ćwiczenie nr 6 Temat: Hartowność. Próba Jominy`ego Łódź 2010
WSTĘP TEORETYCZNY Pojęcie hartowności Większość części maszyn wykonywana jest ze stali do ulepszania cieplnego. Dla określania przydatności stali do tej obróbki cieplnej służą próby hartowności. Hartowność jest to zdolność stali do hartowania się w głąb na strukturę martenzytyczną. Miarą hartowności jest głębokość warstwy zahartowanej. Czynniki wpływające na hartowność Na hartowność stali mają wpływ następujące czynniki: Skład chemiczny Węgiel i składniki stopowe poza kobaltem zwiększają hartowność poprzez zmniejszenie krytycznej szybkości chłodzenia. Pierwiastki rozpuszczające się w ferrycie, jak: Ni, Si, Mn i inne przesuwają krzywe początku przemian na wykresach CTPc w prawo, zwiększając zakres trwałości austenitu przechłodzonego. Składniki węglikotwórcze, jak: Cr, Mo, V, W mają działanie dwojakie: zmieniają kształt i charakter wykresu oraz przesuwają krzywe rozpadu austenitu przechłodzonego w prawo, zwiększając równocześnie hartowność. Wielkość ziarna austenitu Im większe ziarno austenitu, tym większa jest głębokość hartowania. Wzrost wielkości ziarna austenitu powoduje, że zmniejsza się długość granic ziaren przypadająca na jednostkę powierzchni. Granica ziarna stanowi defekt struktury krystalicznej stopu, który jest uprzywilejowanym miejscem zarodkowania produktów przemian dyfuzyjnych przechłodzonego austenitu. Zwiększenie wielkości ziarna zwiększa, więc trwałość tego austenitu. 2
Jednorodność austenitu Niejednorodny austenit szybciej ulega przemianom, ponieważ o prędkości przemiany decyduje mniej nasycona pierwiastkami część austenitu, która ulega przemianom jako pierwsza. Dlatego podczas hartowania, przed oziębianiem, należy wsad wygrzać w temperaturze hartowania przez określony czas dla ujednorodnienia składu chemicznego austenitu. Nierozpuszczone cząstki węglików, tlenków, azotków Cząstki te przyśpieszają dyfuzyjne przemiany przechłodzonego austenitu, ponieważ stanowią dodatkowe miejsca zarodkowania powstających faz. Nierozpuszczone węgliki i azotki hamują rozrost ziarna austenitu oraz zubożają austenit w pierwiastki stopowe i węgiel, co również wpływa na zmniejszenie hartowności. Ocena hartowności Jakościową ocenę hartowności stali umożliwiają wykresy CTPc. Głębokość warstwy zahartowanej zależy, bowiem od krytycznej szybkości chłodzenia. Stale o dużej krytycznej szybkości chłodzenia cechuje mała hartowność i odwrotnie. Ilościowa ocena hartowności wymaga wprowadzenia pojęć: średnicy krytycznej, współczynnika intensywności chłodzenia oraz twardości krytycznej. Rys.1 Schematyczne przedstawienie wykresów CTPc dla stali o: a) małej hartowności, b) dużej hartowności (2) Średnica krytyczna jest to średnica pręta, przy której po zahartowaniu w ośrodku o określonej zdolności chłodzącej uzyskuje się w osiowej części przekroju strukturę o określonej zawartości martenzytu, lecz nie mniejszej niż 50%. Średnicę krytyczną w 3
znaczeniu ogólnym określa się D K, zaś w odniesieniu do konkretnie przyjętej zawartości martenzytu w rdzeniu symbolem D z indeksem określającym tę zawartość (np. D50, D90). Średnica krytyczna zależy od szybkości chłodzenia, dlatego dla ujednolicenia wyników wprowadzono współczynnik intensywności chłodzenia H. Współczynnik intensywności chłodzenia H. Współczynnik Η określa zdolność ośrodka oziębiającego do odbierania ciepła. Jego wartość może zmieniać się od zera do nieskończoności. Η = 0 odpowiada idealnemu izolatorowi ciepła, Η = odpowiada idealnemu ośrodkowi chłodzącemu, to znaczy takiemu, w którym powierzchnia przedmiotu ostygałaby natychmiast do temperatury ośrodka. Najczęściej przyjmuje się, że dla wody Η = 1,5 a dla oleju Η = 0,3, przy względnym ruchu przedmiotu i cieczy. Intensywności chłodzenia Η = odpowiada idealna średnica krytyczna, którą oznacza się D0. Stanowi ona bezwzględną (niezależną od intensywności chłodzenia) miarę hartowności stali. Dla rzeczywistych średnic krytycznych (D50, D90) należy podawać współczynnik H, dla którego zostały one wyznaczone, a dla idealnych średnic krytycznych D 0 zawartość martenzytu w środku ich przekroju. Najczęściej do oceny hartowności używane są średnice krytyczne półmartenzytyczne, ponieważ dla większości zastosowań praktycznych zawartość 50% martenzytu w środku przekroju jest wystarczająca. Twardość krytyczna jest to twardość, która odpowiada strukturze półmartenzytycznej, tzn. składającej się w 50% z martenzytu i w 50% z innych składników strukturalnych, takich jak bainit, ferryt, perlit. Znając twardość krytyczną danej stali można za pomocą próby twardości wyznaczyć głębokość warstwy zahartowanej. Ilościową ocenę hartowności przeprowadza się poprzez wyznaczenie średnicy krytycznej. Średnice krytyczne można wyznaczyć trzema metodami: Doświadczalną, Obliczeniową, Wykreślną. 4
Metoda wykreślna obecnie najczęściej stosowana, oparta jest na próbie hartowania od czoła Jominy'ego. Próba hartowności metodą hartowania od czoła wykonywana jest wg normy PN EN ISO 642:2002. Polega na oziębieniu strumieniem wody czołowej powierzchni próbki walcowej oraz pomiarze twardości wzdłuż zeszlifowanej tworzącej próbki. Wynik badania przedstawia się w postaci krzywej twardości próbki w funkcji odległości od jej powierzchni czołowej. Poza dużą prostotą i powtarzalnością wyników zaletą tej metody jest duży zakres zmienności szybkości chłodzenia na długości próbki od 350 do 2 C/s. Umożliwia to analizę zachowania się stali w różnych warunkach chłodzenia oraz badanie gatunków stali konstrukcyjnych o szerokim zakresie hartowności. Do wad metody można zaliczyć: obecność bainitu nie jest wykrywana przez pomiar twardości, a ma wpływ na inne własności mechaniczne niż twardość, jednorodność austenitu ma duży wpływ na wyniki próby. Przyjmując za kryterium idealną średnicę krytyczną, wyróżnia się cztery grupy stali: 1) o małej hartowności D 0 < 50 mm, 2) o średniej hartowności D 0 = 50 80 mm, 3) o dużej hartowności D 0 = 80 150 mm, 4) o bardzo dużej hartowności D 0 > 150 mm. Hartowność jest jedną z najważniejszych cech użytkowych stali. Stanowi, bowiem główne kryterium doboru stali konstrukcyjnych i podstawę opracowania technologii ich obróbki cieplnej. Obecnie skład chemiczny stali konstrukcyjnych dobierany jest pod względem zapewnienia określonej hartowności. Pozwala to na racjonalny dobór stali w zależności od przekroju hartowanego elementu tak, aby nastąpiło jego zahartowanie na wskroś. Metoda hartowania od czoła polega na zahartowaniu od czoła próbki cylindrycznej o średnicy 25 mm i długości 100 mm z kołnierzem strumieniem wody wypływającej z dyszy o średnicy 12,5 mm. Po zahartowaniu zeszlifowuje się po 0,4 0,5 mm wzdłuż przeciwległych tworzących próbki i dokonuje się pomiarów twardości na aparacie Rockwella w skali C w następujących odległościach od czoła: 2 pomiary, co 1,5 mm, 5
6 pomiarów, co 2 mm, dalej, co 5 mm. Określić hartowność stali konstrukcyjnej metodą hartowania od czoła. Cel: Poznanie metody hartowania od czoła próby Jominy'ego oraz wyznaczenie metodą wykreślną średnicy krytycznej D50 stali o znanej zawartości węgla i ocena jej hartowności. Urządzenie do przeprowadzenia próby hartowności Schemat urządzenia do przeprowadzenia próby przedstawiono na Rys 2. Rys2 Schemat urządzenia do przeprowadzenia próby hartowania od czoła; 1 przewód wodny, 2 zawór, 3 dysza, 4 uchwyt do próbek, 5 próbka, 6 przesłona, 7 ekran pierścieniowy. (wg ww. normy) Wykonanie próby Przed hartowaniem próbkę należy austenityzować w temperaturze hartowania określonej w normie dla danego gatunku stali lub w temperaturze Ac3+(30 50 C). Czas wygrzewania w danej temperaturze wynosi 30 ±5 minut. Czas nagrzewania do wymaganej temperatury wyznacza się doświadczalnie lub obliczeniowo. W czasie grzania próbka nie powinna ulec nawęgleniu, odwęgleniu lub utlenieniu. Nagrzaną próbkę należy wyjąć z pieca i umieścić w uchwycie urządzenia hartowniczego, a następnie otworzyć zawór wodny. Czas zużyty na te czynności nie powinien przekroczyć 5 sekund. Czoło próbki należy oziębiać przez ok. 10 minut. Zahartowaną próbkę należy zeszlifować wzdłuż dwóch przeciwległych tworzących, zdejmując jednostronnie warstwę od 6
0,4 do 0,5 mm. Na zeszlifowanych powierzchniach należy wykonać pomiary twardości sposobem Rockwella w skali C. Odciski wykonuje się począwszy od zahartowanego czoła próbki w odległościach: 2 pomiary, co 1,5 mm, 6 pomiarów, co 2 mm, - dalej, co 5 mm. 7
Rys.3 Badanie twardości próbki wzdłuż zeszlifowanej tworzącej metodą Rockwella w skali C Rys4 Pokrętło do przesuwania próbki Próbka umieszczona jest na specjalnej podstawce umożliwiającej przesuwanie próbki o odpowiednią odległość, by móc wykonać pomiary(rys.3). Każde przekręcenie pokrętła (Rys.4) o 90 0 zgodnie z ruchem wskazówek zegara, przesuwa próbkę o 0,5 mm. Tak, więc by wykonać pomiary co 1,5 mm należy przekręcić pokrętło o 270 0, co 2 mm o 360 0, a o 5 mm należy wykonać 2,5 obrotu (900 0 ) Wyniki pomiarów twardości przedstawia się w układzie twardość odległość od czoła próbki. Następnie wyznacza się metodą wykreślną średnicę krytyczną D5 0 badanej stali, dla chłodzenia w wodzie o współczynniku H= 1,5, wykonując kolejno czynności: wyniki pomiarów wpisujemy do tabeli, następnie rysujemy wykres zależności twardości HRC od odległości od czoła (mm) 8
Odległość od czoła próbki d, mm Twardość, HRC Tab.1 wyniki pomiarów twardości próbki od czoła metodą wykreślną Rys.5 Krzywa hartowności danej stali 9
z wykresu na Rys.5 wyznacza się twardość krytyczną badanej stali dla 50% martenzytu w strukturze, (zawartość węgla w badanej stali podaje prowadzący ćwiczenie). Rys.6 Wpływ zawartości węgla na twardość po hartowaniu przy różnym udziale martenzytu w strukturze (2) na krzywej hartowności (Rys.5)zaznacza się twardość krytyczną i odczytuje odpowiadającą jej odległość od czoła próbki, 10
Rys.7 Korelacja szybkości chłodzenia w danej odległości od czoła próbki Jominy'ego i w osi prętów okrągłych chłodzonych w ośrodkach o różnej intensywności chłodzenia Η (2) z wykresu zamieszczonego na Rys.7 wyznacza się dla chłodzenia w wodzie (H = 1,5) średnicę krytyczną D 50 badanej stali. Przedstawia on korelację szybkości chłodzenia próbek hartowanych od czoła i prętów okrągłych. Z wykresu można wyznaczyć średnicę pręta chłodzonego w osi z taką samą szybkością, jak próbka Jominy'ego w danej odległości od jej czoła. Ponieważ twardość danej stali zależy tylko od szybkości chłodzenia, dlatego odpowiednie punkty będą miały tę samą twardość. korzystając z wykresu na Rys. 8, można wyznaczyć idealną średnicę krytyczną D 0, czyli przejść z rzeczywistego do idealnego ośrodka chłodzącego, 11
Rys.8 Korelacja idealnej średnicy krytycznej D 0 i rzeczywistej D 50 dla różnych ośrodków chłodzących (2) jakościową ocenę hartowności stali umożliwiają wykresy CTP c na podstawie, których ocenia się hartowność badanej stali. Gatunek stali Zawartość węgla, [%] Twardość krytyczna, [HRC] Odległość od czoła próbki odpowiadająca twardości krytycznej d kr, [mm] Średnica krytyczna rzeczywista D 50, [mm] Średnica krytyczna idealna D 0, [mm] Ocena hartowności Tab.2 Ocena hartowność stali konstrukcyjnej do ulepszania cieplnego na podstawie próby hartowania od czoła próby Jominy'ego 12
SPRAWOZDANIE: Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Dane studenta 2. Cel ćwiczenia 3. Wstęp teoretyczny 4. Rysunek próbki (z wymiarami) oraz schemat urządzenia hartowniczego 5. Zestawienie wyników pomiaru twardości próbki w postaci tabeli (tab.1) 6. Wykres krzywej hartowności uzyskanej w czasie próby (rys.5) 7. Wartości wyznaczonych średnic krytycznych i średnicy idealnej 8. Ocena hartowności stali (tab.2) 9. Uwagi i wnioski Literatura. 1. Wykład NoM I i NoM II. 2. K. Przybyłowicz; Metaloznawstwo, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1992 3. L. Dobrzyński; Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1997 UWAGA: Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia student zobowiązany jest zapoznać się z przepisami BHP 13
LITERATURA: 1. Metaloznawstwo. Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych. Pr. Zb. Pod red. J. Hucińskiej. Skrypt PG, Gdańsk 1996, s. 15 16, 25 30, 130 141 2. Karol Przybyłowicz Metaloznawstwo, wyd. AGH Kraków 1997 s.255 260 3. Polska Norma PN EN ISO 642:2002 i PN 79/H 04402 Próba hartownosci stali. Metoda hartowania od czoła 4. Wykłady z Nauki o Materiałach 14