Hartowność i odpuszczalność stali

Materiały metalowe
Hartowno
Hartowno
i odpuszczalno
i odpuszczalno
stali
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Hartowno
stali
Podatno
stali na hartowanie, zwana
hartowno ci , jest wyra ana zale no ci przyrostu
twardo ci w wyniku hartowania od temperatury
austenityzowania i szybko ci chłodzenia.
O hartowno ci stali współdecyduje:
utwardzalno
,
przehartowalno
Hartowno
i odpuszczalno
.
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Utwardzalno
jest to podatno
stali na
hartowanie, miar której jest zale no najwi kszej –
mo liwej do uzyskania po hartowaniu – twardo ci od
warunków austenityzowania. Utwardzalno
jest
uzale niona od warunków austenityzowania oraz
st enia w gla w austenicie (rys.1).
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Rys. 1 Wpływ st enia w gla na twardo
stali zahartowanej o ró nym
udziale martenzytu w strukturze (wg J.M. Hodge’a i M.A. Orehoskiego)
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Przehartowalno
jest to podatno
stali na
hartownie wyra ona zale no ci przyrostu twardo ci
w wyniku hartowania od szybko ci chłodzenia. Na
przehartowalno
w sposób znacz cy wpływaj
st enie w gla i st enie pierwiastków stopowych
rozpuszczonych w roztworze stałym podczas
austenityzowania, wielko
ziarn austenitu oraz
stopie jednorodno ci tej fazy.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Do celów praktycznych, a w szczególno ci do
porównania hartowno ci ró nych gatunków stali
dogodnymi liczbowymi miernikami tej własno ci s :
rednica krytyczna oraz współczynnik intensywno ci
chłodzenia.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
rednica krytyczna Dk jest najwi ksz
rednic
pr ta, w którym po zahartowaniu w o rodku o
okre lonej intensywno ci chłodzenia w osi przekroju
poprzecznego obrabianego elementu uzyskuje si
struktur zło on z co najmniej k% martenzytu
(indeks k odpowiada udziałowi martenzytu
podanemu w %, np. D80 lub D50 – rys. 2). rednica
D50 jest nazwana rednic półmartenzytyczn .
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Rys. 2 Schemat zale no ci grubo ci warstwy zahartowanej w pr cie o
rednicy d od krytycznej szybko ci chłodzenia ró nych stali o hartowno ci:
a) małej, b) redniej, c) du ej
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
∞
Materiały metalowe
Współczynnik intensywno ci chłodzenia H
okre la zdolno
o rodka ozi biaj cego do
odbierania ciepła. Wielko ta mo e zmienia sw
warto
od H=0 dla o rodka, który jest idealnym
izolatorem, czyli zupełnie nie odbiera ciepła, do H=
- dla idealnego o rodka chłodz cego, w którym
powierzchnia przedmiotu chłodzonego natychmiast
ozi białoby si do temperatury o rodka. rednica
krytyczna odpowiadaj ca idealnemu o rodkowi nosi
nazw idealnej rednicy krytycznej DI
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Eksperymentalne metody oceny
hartowno ci
Do najbardziej znanych metod oceny hartowno ci
nale :
metoda Shepharda,
metoda Jominy’ego,
metoda krzywych „U”.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Metoda Shepherda
Najstarsz
metod
oceny hartowno ci jest
metoda Shepharda, polegaj ca na obserwacji
przełomów próbek zahartowanych w 10% roztworze
wodnym soli kuchennej. Próbki o rednicy 19 mm i
długo ci 75 mm, z naci tym karbem, po hartowaniu
w temperaturze 790, 815, 840 i 870OC łamie si i
okre la gł boko strefy zahartowanej oraz wielko
ziarn na podstawie porównania z kompletem
wzorców w skali Jernkontoret.
Metoda Shepharda jest stosowana obecnie do
badania hartowno ci stali w glowych narz dziowych.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Metoda Jominy’ego
Metoda Jominy’ego hartowania od czoła (PNEN ISO 642:2002) polega na ozi bianiu
strumieniem wody, czołowej powierzchni próbki
walcowej o rednicy 25 mm i długo ci 100 mm, po
austenityzowaniu w warunkach zalecanych dla
danego gatunku stali. Próba odbywa si na
stanowisku, którego schemat przedstawiono na
rys.3.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Rys.3 Schemat urz dzenia od prób hartowno ci metod
chłodzenia od czoła: 1 –zbiornik z wod , 2 – wanna, 3 – zawór,
4 – dysza wodna, 5 – przesłona, 6 – uchwyt próbki, 7- próbka
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Na próbce zahartowanej w tych warunkach
przeprowadza si
pomiary twardo ci wzdłu
zeszlifowanych tworz cych próbki w odległo ci co
1,5 - 3 - 5 - 7 - 9 - 11- 13 - 15 mm i dalej co 5 mm
poczynaj c od czoła próbki. Nast pnie sporz dza
si wykres twardo ci w funkcji odległo ci od czoła
próbki (rys.4), zwany krzyw
hartowno ci,
nanosz c rednie wyników pomiarów twardo ci z
dwóch przeciwległych tworz cych.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Rys. 4 Krzywa hartowno ci, próbka i jej wymiary oraz sposób wyznaczania
rednicy półmartenzytycznej D50.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Wobec
rozrzutu
składu
chemicznego
stali
dopuszczalnego przez normy, dla stali tego samego
gatunku z poszczególnych wytopów uzyskuje si
krzywe hartowno ci nieco ró ni ce si mi dzy sob .
Obszar mi dzy maksymalnymi, a minimalnymi
warto ciami twardo ci jest nazwany pasmem
hartowno ci (rys.5).
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Rys. 5 Pasma hartowno ci wybranych gatunków stali (A. P. Gulajew)
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Metoda krzywych „U”
Metoda krzywych „U” okre lania hartowno ci
polega na hartowaniu w stałych warunkach pr tów z
danego gatunku stali o ró nych rednicach i
wyznaczaniu rozkładu twardo ci na przekroju
poprzecznym ka dego pr ta wzdłu
rednicy.
Wyniki próby podaje si
w postaci wykresu
twardo ci w funkcji odległo ci od rodka próbki
wzdłu
rednicy. Punkt przegi cia na krzywej
twardo ci odpowiada rednicy krytycznej przekroju,
w którym wyst puje 50% martenzytu – D50 (rys.6)
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Rys. 6 Rozkład twardo ci wzdłu rednicy przekroju poprzecznego
zahartowanych pr tów oraz sposób wyznaczania rednicy krytycznej D50
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Obliczanie idealnej rednicy krytycznej
(metoda Grossmanna)
Jedn
z
metod
obliczeniowych
oceny
hartowno ci jest metoda opracowana przez
Grossmanna, polegaj ca na wyznaczeniu rednicy
idealnej na podstawie składu chemicznego.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
W metodzie tej idealn
rednic krytyczn DI
oblicza si na podstawie iloczynu do wiadczalnie
wyznaczonych mno ników w postaci:
DI = DIc ⋅ k1 ⋅ k 2 ⋅ ... ⋅ k n
gdzie:
DI – idealna rednica krytyczna,
DIc – idealna rednica podstawowa, tj. DI dla stali
w glowej o tej samej zawarto ci w gla i wielko ci ziarna
co badana stal stopowa,
k1…kn– mno niki hartowno ci dla poszczególnych
pierwiastków.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
W celu uproszczenia oblicze idealnej rednicy
krytycznej
zale no
(1)
zlogarytmowano,
zast puj c iloczyn sum .
W tablicach 1 i 2 uj to warto ci odpowiednich
czynników w zale no ci od procentowej zawarto ci
pierwiastków stopowych i wielko ci ziarn, które po
zsumowaniu pozwalaj na okre lenie DI z tablicy 3.
Bardziej szczegółowo zagadnienie dotycz ce
metod obliczania i modelowania hartowno ci
przedstawiono w pracy L.A. Dobrza skiego:
„Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo”
Wydawnictwo Naukowo - Techniczne, Warszawa,
2002 r.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Tablica 1
Współczynniki sumy w metodzie logarytmicznej ujmuj ce wpływ
w gla i wyj ciow wielko ziarn.
Zawarto
w gla %
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
Hartowno
Wielko
ziarn (nr wg PN)
5
6
7
8
0,101
0,184
0,247
0,297
0,337
0,368
0,398
0,423
0,448
0,062
0,150
0,210
0,260
0,299
0,333
0,362
0,387
0,412
0,029
0,119
0,179
0,225
0,267
0,301
0,329
0,351
0,377
0,084
0,146
0,193
0,230
0,266
0,296
0,320
0,343
i odpuszczalno
Zawarto
w gla %
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
Wielko
ziarn (nr wg
PN)
5
6
7
8
0,469
0,489
0,507
0,523
0,539
0,551
0,563
0,574
0,435
0,454
0,470
0,485
0,500
0,513
0,526
0,539
0,400
0,419
0,436
0,452
0,467
0,481
0,494
0,507
0,364
0,382
0,400
0,413
0,415
0,444
0,458
0,471
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Tablica 2
Współczynniki sumy w metodzie logarytmicznej ujmuj ce wpływ pierwiastków
stopowych
Zawarto
%
0,01
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
Hartowno
Pierwiastek
Mn
Si
Ni
Cr
Mo
0,014
0,028
0,054
0,079
0,130
0,125
0,146
0,166
0,186
0,204
0,222
0,263
0,301
0,336
0,368
0,398
0,426
0,452
0,477
0,501
0,003
0,006
0,012
0,018
0,024
0,029
0,035
0,041
0,046
0,052
0,057
0,070
0,083
0,095
0,107
0,119
0,130
0,141
0,152
0,163
0,002
0,003
0,006
0,009
0,012
0,015
0,019
0,022
0,024
0,028
0,030
0,038
0,045
0,052
0,059
0,066
0,073
0,079
0,086
0,092
0,009
0,018
0,036
0,053
0,069
0,085
0,101
0,115
0,129
0,143
0,156
0,187
0,217
0,244
0,270
0,295
0,318
0,340
0,361
0,381
0,013
0,025
0,049
0,072
0,094
0,114
0,134
0,152
0,170
0,188
0,204
0,244
0,279
0,312
0,342
0,375
0,398
0,423
0,447
0,470
i odpuszczalno
Zawarto
%
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
1,70
1,80
1,90
2,00
2,10
2,20
2,30
Pierwiastek
Mn
Si
Ni
Cr
Mo
0,523
0,544
0,564
0,584
0,602
0,620
0,637
0,669
0,702
0,741
0,780
0,815
0,848
0,878
0,908
0,936
0,960
-
0,173
0,183
0,193
0,203
0,212
0,221
0,230
0,248
0,265
0,281
0,297
0,312
0,326
0,340
0,354
0,367
0,381
-
0,099
0,105
0,111
0,117
0,123
0,129
0,135
0,146
0,157
0,168
0,173
0,190
0,203
0,215
0,228
0,243
0,250
0,262
0,275
0,288
0,400
0,418
0,436
0,453
0,469
0,485
0,500
0,528
0,555
0,581
0,605
0,627
0,650
0,670
-
0,491
0,512
0,531
0,550
0,568
-
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Warto
Hartowno
Tablica 3
idealnej rednicy krytycznej w zale no ci od sumy współczynników
Suma
współczynników
DI idealna rednica
krytyczna mm
Suma
współczynników
DI idealna rednica
krytyczna mm
0,595
0,771
0,896
0,993
1,072
1,139
1,197
1,248
1,294
0,336
0,373
1,408
1,440
1,470
1,498
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
1,525
1,549
1,573
1,595
1,616
1,637
1,656
1,674
1,692
1,797
1,725
1,741
1,756
1,771
1,799
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
160
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Odpuszczalno
Reagowanie
struktury
utworzonej
z
przechłodzonego austenitu na odpuszczanie jest
nazywane odpuszczalno ci . Zwykle poj cie
odpuszczalno ci ogranicza si
do ujmowania
zale no ci twardo ci od temperatury odpuszczania
przy stałym czasie tej operacji.
Odpuszczalno
zale y od struktury stali po
hartowaniu i jest ci le zwi zana z temperatur i
czasem odpuszczania.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Wpływ temperatury i czasu odpuszczania na twardo
stali w glowej ujmuje parametr odpuszczania M – J.H.
Hollomona i L.D. Jaffe’a:
M = T ⋅ (C + log τ )
gdzie:
T – temperatura odpuszczania w skali bezwzgl dnej,
K,
τ - czas odpuszczania, s,
C – stała zale na od st enia w gla.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Odczytanie odpowiednich warto ci twardo ci po
odpuszczaniu w ró nych warunkach umo liwiaj
specjalne nomogramy. Nomogram oprócz wpływu
temperatury i czasu odpuszczania - ujmuje
oddziaływanie st enia w gla na twardo
stali
odpuszczonej po uprzednim zahartowaniu w
warunkach zapewniaj cych otrzymanie niemal
wył cznie
struktury
martenzytycznej.
W
rzeczywisto ci w wyniku hartowania nie uzyskuje si
wył cznie struktury martenzytycznej. Twardo stali
mo e by
wówczas mniejsza od twardo ci
martenzytu stali o danym st eniu w gla.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Z tego wzgl du znaczenie praktyczne uzyskuj
równie nomogramy uwzgl dniaj ce wpływ ró nych
struktur po hartowaniu na twardo
stali
odpuszczonej w ró nych warunkach. Nomogram dla
danego gatunku stali, umo liwia okre lenie
warunków odpuszczania w celu uzyskania
wymaganej twardo ci. W przypadkach stali
stopowych zmiany twardo ci w funkcji temperatury
odpuszczania nie maj monotonicznego charakteru i
z tego wzgl du nie s ujmowane w prostej formie
nomogramów. Parametr odpuszczenia jest wówczas
nieprzydatny do opisywania własno ci tych stali.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Dobór stali o wymaganych własno ciach po
odpuszczaniu polega na doborze stali, która po
hartowaniu i odpuszczaniu powinna wykazywa
wymagan granic plastyczno ci lub wytrzymało ci.
Do rozwi zania zadania konieczna jest znajomo
przynajmniej orientacyjnej zale no ci wytrzymało ci
i granicy plastyczno ci od twardo ci w stanie
zahartowanym i odpuszczonym (rys. 7), a tak e
korelacji mi dzy twardo ci po hartowaniu i po
odpuszczaniu.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Rys. 7 Korelacja granicy plastyczno ci i twardo ci stali konstrukcyjnych
ulepszonych cieplnie (wg. E. Houdremonta)
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
normie DIN 17021 1976 podano zale no ci
liniowe dla stali konstrukcyjnych ulepszonych
cieplnie z odpuszczaniem w temperaturze 500 i
600OC (rys. 8). Zastosowanie wykresów proponowanych przez norm DIN 17021 1976 prowadzi do
stawiania nierealnych wymaga w stosunku do
twardo ci stali po hartowaniu (HRC = 63-80). Z tego
wzgl du zale no ci te mog
by
wył cznie
stosowane dla ni szych twardo ci po odpuszczaniu,
poni ej 35 HRC dla temperatury 600°C i poni ej 45
HRC dla temperatury odpuszczania 500°C. Dla
wy szych
warto ci
twardo ci
mog
by
wykorzystane zale no ci podane na rysunku 9.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Rys. 8 Twardo
stali odpuszczonej w temperaturze 500OC i 600OC w
zale no ci od twardo ci po hartowaniu
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Rys. 9 Korelacja mi dzy wytrzymało ci
a granic
plastyczno ci,
wydłu eniem i przew eniem stali stopowych ulepszonych cieplnie (wg E.J.
Janitzky’ego i M. Baeyertza)
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005
Materiały metalowe
Współczesne
programy
komputerowe
wspomagaj ce dobór materiałów CAMS (computer
aided materials selection ) zawieraj bazy danych
obejmuj ce wpływ warunków hartowania i
odpuszczania na własno ci ró nych gatunków stali i
procedury obliczeniowe umo liwiaj ce dobór stali do
oczekiwanych zastosowa
z uwzgl dnieniem
własno ci stali po odpuszczaniu. Okre lenie przez
konstruktora wymaganej twardo ci lub granicy
plastyczno ci elementu konstrukcyjnego oraz
ustalenie grubo ci, na której te wymagania mog
by spełnione, umo liwia dobranie, przy u yciu
CAMS, odpowiedniego gatunku stali, poprzez
okre lenie jej składu chemicznego oraz ustalenie
wła ciwych warunków obróbki cieplnej tzn.
hartowania i odpuszczania.
Hartowno
i odpuszczalno
stali
© Copyright by L.A. Dobrza ski, IMIiB, Gliwice 2005