obróbka cieplna - Akademia Morska w Szczecinie

obróbka cieplna - Akademia Morska w Szczecinie

Akademia Morska w Szczecinie
Instytut InŜynierii Transportu
Zakład Techniki Transportu
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów
Materiałoznawstwo
i
Nauka o materiałach
Wpływ róŜnych rodzajów obróbki cieplnej na strukturę i własności stopów
metali
Opracowała: mgr inŜ. Joanna Tuleja
Zatwierdził: dr inŜ. Jarosław Chmiel
Szczecin 2008
1. Wprowadzenie
Struktura materiałów, w szczególności metalicznych wywiera znaczny wpływ na ich
właściwości. Stosując procesy technologiczne zmieniające strukturę materiału, moŜna w
pewnych granicach celowo kształtować jego właściwości. NaleŜy zwrócić uwagę na fakt, Ŝe
wyraźną zaleŜność od struktury wykazują właściwości mechaniczne, elektryczne,
magnetyczne i odporność na korozję, natomiast zaleŜność od struktury pozostałych
właściwości np. cieplnych jest pomijalna.
Najpopularniejszym sposobem kształtowania własności stopów metali jest obróbka cieplna.
2. Podstawowe pojęcia
Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali i
stopów moŜna wyróŜnić następujące rodzaje obróbki cieplnej: obróbka cieplna zwykła;
obróbka cieplno chemiczna;
obróbka cieplno - mechaniczna (cieplno - plastyczna). Wśród procesów obróbki cieplnej
zwykłej wyróŜniamy: wyŜarzanie;
hartowanie i odpuszczanie (ulepszanie cieplne); przesycanie i starzenie (utwardzanie
wydzieleniowe).
Obróbka cieplna są to zabiegi technologiczne umoŜliwiające dzięki grzaniu i
chłodzeniu zmianę mikrostruktury, a przez to własności stopów (w pewnych przypadkach
równieŜ metali): mechanicznych, fizycznych, technologicznych oraz chemicznych. Obróbka
cieplna ma duŜe znaczenie ekonomiczne, często umoŜliwia stosowanie tańszych
materiałów bez wpływu na jakość wyrobu. Częściami obróbki cieplnej są zabiegi, a
najwaŜniejsze z nich są:
nagrzewanie; wygrzewanie; chłodzenie.
Obróbka cieplno - mechaniczna - polega na łącznym działaniu odkształcenia plastycznego
oraz obróbki cieplnej, w efekcie uzyskuje się polepszenie własności
mechanicznych o ok. 10% w porównaniu z konwencjonalną obróbką cieplną. Cechą
charakterystyczną obróbki cieplno mechanicznej jest wzrost zarówno własności
wytrzymałościowych jak i plastycznych.
Obróbka cieplno - chemiczna jest proces technologiczny umoŜliwiający w
czasie wygrzewania, połączonego z chemicznym oddziaływaniem środowiska, zmianę
składu chemicznego i struktury w powierzchniowej warstwie stopu, a dzięki temu zmianę
jej własności. W praktyce obróbka cieplno chemiczna polega na wzbogaceniu
powierzchniowej warstwy stopu w określony pierwiastek, np. C, N, Al, Cr, Si lub grupę
pierwiastków, np. C i N, N i S, N i O. Celem zabiegów jest nadanie warstwie
powierzchniowej szczególnych własności fizycznych, głównie odporności na ścieranie,
lub chemicznych, najczęściej odporności na utlenianie w wysokich temperaturach.
WyŜarzanie - operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do
określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania
struktur zbliŜonych do stanu równowagi.
Ulepszanie cieplne obejmuje dwa zabiegi - hartowanie i odpuszczanie. Hartowanie
polega na austenityzowaniu stali w temperaturze i czasie potrzebnym do
maksymalnego rozpuszczenia składników stopowych w austenicie, a następnie
na chłodzeniu stali z szybkością większą od krytycznej, dla zapewnienia przemiany
martenzytycznej. Hartowanie moŜe być prowadzone na wskroś lub tylko w warstwie
powierzchniowej. Celem hartowania jest uzyskanie struktury martenzytycznej o duŜej
twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie, powodującej jednak znaczną
kruchość i napręŜenia własne. Nadmierną kruchość oraz napręŜenia własne usuwa się
stosując po hartowaniu odpuszczanie.
Odpuszczanie - jest zabiegiem cieplnym stosowanym do przedmiotów uprzednio
zahartowanych w celu usunięcia napręŜeń hartowniczych i polepszenia własności
plastycznych. Podczas tego zabiegu zmniejsza się nieco twardość i
wytrzymałość na rozciąganie, natomiast wzrasta odporność na uderzenia. Odpuszczanie
polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanego przedmiotu do temperatury poniŜej 723°C,
wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie powolnym chłodzeniu na powietrzu, w oleju lub
wodzie.
Odpuszczanie niskie - odbywa się w temperaturze 150 - 250°C. Głównym celem
takiego odpuszczania jest usunięcie napręŜeń własnych bez spadku twardości.
Odpuszczanie niskie stosuje się do narzędzi, sprawdzianów oraz części nawęglonych
wykonanych ze stali węglowych i niskostopowych oraz hartowanych powierzchniowo.
Odpuszczanie średnie - odbywa się w temperaturze 300 - 500°C. Ma ono na celu
zachowanie wysokiej wytrzymałości i spręŜystości przy dostatecznie duŜej ciągliwoścł
stali. W zakresie tych temperatur odpuszcza się wiele części samochodowych oraz
matryce, spręŜyny, resory i inne części mechanizmów, których praca ma charakter
uderzeniowy.
Odpuszczanie wysokie - przebiega w temperaturze 500 - 650°C. Celem takiego
odpuszczania jest uzyskanie wysokiej wytrzymałości i spręŜystości materiału z
jednoczesnym zachowaniem znacznej twardości i dostatecznej odporności na uderzenia.
Odpuszczaniu wysokiemu poddaje się stale konstrukcyjne i narzędziowe do pracy na
gorąco. W tym przypadku odpuszczanie prowadzi do rozkładu austenitu szczątkowego.
Przesycanie polega na wygrzewaniu stopu w temperaturze zapewniającej przejście
składników fazowych do roztworu stałego, tzn. w temperaturze wyŜszej od
temperatury nasycenia roztworu, a następnie szybkim oziębieniu do temperatury
otoczenia. Zabieg ma na celu zwiększenie plastyczności i obniŜenie twardości, dlatego
stale przesycone łatwo poddają się obróbce plastycznej.
Starzenie - polega na wydzielaniu składnika przesycającego z roztworu w postaci
drobnodyspersyjnych wtrąceń, powodujących umocnienie stopu. Efektem zabiegu jest
zwiększenie twardości i wytrzymałości stopu oraz zmniejszenie jego ciągliwości.
Składniki strukturalne występujące w stopach poddanych hartowaniu
Bainit jest składnikiem strukturalnym, jego struktura ta jest zróŜnicowana
morfologicznie w zaleŜności od temperatury przemiany. Stanowi mieszaninę ferrytu i
węglików, z tym, Ŝe powyŜej 300°C składa się z cementytu i przesyconego węglem ferrytu
(zwana bainitem górnym, który ma wygląd pierzasty), natomiast poniŜej 300°C
powstaje bainit dolny składający się z węglika 8 (Fe2,4C o zawartości 8,4%C) i ferrytu
przesyconego węglem). Ma on wygląd iglasty podobny do martenzytu i jest niewiele od
niego miększy. Przemiana bainityczna ma charakter dyfuzyjny, przebiega w zakresie
temperatur poniŜej 500°C, gdy siła napędowa przemiany jest duŜa, a współczynnik dyfuzji
mały.
Twardość i wytrzymałość bainitu są pośrednie między własnościami perlitu i
martenzytu i rosną w miarę obniŜania temperatury przemiany.
Martenzyt - jest to przesycony roztwór stały węgla w Ŝelazie a, który jest produktem
przemiany bezdyfuzyjnej. Cechuje się duŜą twardością i małą ciągliwością. Twardość
martenzytu rośnie ze wzrostem zawartości węgla.
Martenzyt gruboiglasty
Austenit szczątkowy -- ilość austenitu szczątkowego zaleŜy od zawartości węgla,
pierwiastków stopowych i temperatury austenityzowania. Austenit szczątkowy obniŜa
twardość zahartowanej stali , gdyŜ w przeciwieństwie do martenzytu jest miękki. Nie jest
jednoznacznie szkodliwy, gdyŜ zwiększa odporność na ścieranie i powierzchniową
wytrzymałość zmęczeniową oraz zmniejsza skłonność stali do kruchego pękania. Wadą jest
zwiększenie skłonności do pęknięć szlifierskich (przy większej zawartości) oraz
powodowanie niestabilności wymiarowej (np. sprawdzianów) i obniŜenie odporności
korozyjnej.
Hartowność - zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej. Z hartownością
wiąŜą się następujące cechy:
głębokość hartowania;
maksymalna twardość uzyskiwana na powierzchni;
skłonność do tworzenia rys i pęknięć.
Dodatki pierwiastków stopowych mogą obniŜać lub podwyŜszać hartowność. Hartowność
znacznie zwiększają: Mn, Mo i Cr, w niewielkim stopniu: Si i Ni natomiast zmniejsza
Co oraz pierwiastki silnie węglikotwórcze.
3. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z wpływem róŜnych rodzajów obróbki
cieplnej na strukturę i co za tym idzie na własności stopów metali.
4.
Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie polega na obserwacji struktur stopów metali, które poddane zostały
róŜnym rodzajom obróbki cieplnej.
5.
Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
•
ogólną definicję obróbki cieplnej oraz definicje podstawowych rodzajów
obróbek cieplnych wraz z informacjami o ich wpływie na własności stopów metali;
6.
•
definicje: martenzyt, bainit, austenit szczątkowy;
•
rysunki mikrostruktur stopów obrobionych cieplnie z dokładnymi opisami.
Wymagania
• Podstawowe pojęcia charakteryzujące obróbkę cieplną.
• Klasyfikacja obróbki cieplnej.
• Wpływ obróbki cieplnej na strukturę i własności stopów.
7.
Literatura
1. Prowans St.: Materiałoznawstwo", PWN, Warszawa 1986 (str. 104 - 114 i 218 284).
2. Blicharski M.: „Wstęp do inŜynierii materiałowe/', WNT, Warszawa 2001 (str.
226 - 263).
3. Dobrzański L.A.: podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo", WNT,
Warszawa 2002 (str. 252-374).