Obróbka cieplna - Instytut Inżynierii Materiałowej

Politechnika Łódzka
Wydział Mechaniczny
Instytut Inżynierii Materiałowej
LABORATORIUM
NAUKI O MATERIAŁACH
Ćwiczenie nr 6
Temat: Obróbka cieplna
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.
o
TC
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 30-50oC powyżej AC3 i następnym ochłodzeniu z
prędkością większą od krytycznej, przy czym przy hartowaniu martenzytycznym chłodzi się
poniżej temperatury Ms aż do zajścia przemiany pośredniej. Stale nadeutektoidalne hartuje się
od temperatury przekraczającej o 30-50oC Ac1, 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
2
3
– martenzytu (A 1, 3 + 30 C) ,
– stali hartowanej od temperatury Ac m + 30 C ,
– 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 100-250oC
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 250-450oC
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. 300oC. 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 450-600oC
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.
727 ÷ 680
680 ÷ 500
perlit
troostyt
Twardość
HB
HRC
180 ÷ 250
< 30
250 ÷ 450 30 ÷ 45
500 ÷ 400
400 ÷ 300
bainit górny
bainit dolny
400 ÷ 500 40 ÷ 45
500 ÷ 600 45 ÷ 58
< 300
martenzyt
Zakres temp. przemiany [oC] Produkt przemiany
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 Re/Rm (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