Ćw. 3 Hartownosc

Materiały pomocnicze do przedmiotu
Ćwiczenia laboratoryjne z Metaloznawstwa
Zajęcia: Badanie hartowności stali
dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Definicja hartowania i rodzaje hartowania
Hartowanie - jest to proces prowadzący do powstania twardej struktury martenzytycznej
lub bainitycznej. Prowadzi ono do powstania struktury nierównowagowej. Hartowanie polega
na nagrzaniu stali podeutektoidalnej 30÷50˚C powyżej temperatury Ac3, a następnie
ochłodzeniu z prędkością większą od krytycznej. Hartowanie stali nadeutektoidalnej polega
na nagrzaniu do temperatury przekraczającej o 30÷50˚C Ac1, ponieważ znajduje się w nich
twardy składnik – cementyt wtórny. Rozpuszczenie go byłoby bezcelowe, ponieważ
prowadziłoby do obniżenia twardości nie tylko na skutek jego ubytku, ale także wzrostu ilości
austenitu szczątkowego. Zakres temperatur hartownia stali węglowych został przedstawiony
na rysunku 1.
Rys. 1. Zakres temperatur hartowania stali pod- i
nadeutektoidalnej
Szybkość
chłodzenia
od
temperatury
austenityzowania w operacji hartowania jest odpowiednio duża, aby nastąpiła przemiana
martenzytyczna w stali. Przy hartowaniu martenzytycznym chłodzi się przedmiot poniżej
temperatury Ms, natomiast przy bainitycznym wytrzymuje izotermicznie powyżej temperatury
Ms, aż do momentu zajścia przemiany pośredniej.
Rodzaje hartowania
Rozróżnia się dwie metody hartownia: objętościowe i powierzchniowe.
Przy hartowaniu objętościowym austenityzowanie obejmuje całą objętość obrabianego
materiału. Podczas hartowania powierzchniowego nagrzewanie jest ograniczone do cienkiej
warstwy i to w tych miejscach, które mają być obrobione cieplnie [11].
Rodzaje hartowania powierzchniowego oraz objętościowego przedstawione zostały na
rysunku 2 :
Rys. 2 Rodzaje hartowania objętościowego
i powierzchniowego
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 2
Hartowanie objętościowe
a) hartowanie martenzytyczne zwykłe, polega na chłodzeniu nagrzanej stali
z szybkością większą od krytycznej, w cieczy o temperaturze pokojowej (rys. 3). Celem jest
uzyskanie struktury martenzytycznej w całym przekroju hartowanego przedmiotu. W
przypadku stali o małej hartowności (stale węglowe) taką szybkość zapewnia chłodzenie w
wodzie. Natomiast do chłodzenia stali o większej hartowności (stale stopowe) może być
stosowany olej lub nawet powietrze. Hartowanie zwykłe pomimo tego, że powoduje
największe naprężenia hartownicze jest najczęściej stosowane.
Rys. 3 Przebieg chłodzenia stali na wykresie CTP dla hartowania martenzytycznego zwykłego
[2]
b) hartowanie stopniowe, ten rodzaj hartowania polega na dwustopniowym
chłodzeniu hartowanego przedmiotu (rys. 4). Najpierw chłodzi się go z szybkością większą
od krytycznej, w cieczy o temperaturze Ti wyższej od Ms. Wytrzymuje się obrabiany
przedmiot do czasu wyrównania temperatury w całym jego przekroju, ale nie dłuższym
jednak niż czas trwałości austenitu Ti. Następnie chłodzi się przedmiot przez zakres
przemiany martenzytycznej ze znacznie mniejszą szybkością. Pierwszy ośrodek chłodzący
stanowi kąpiel solna, drugim ośrodkiem jest powietrze. Hartowanie stopniowe ma na celu
uzyskanie struktury martenzytycznej w całym przekroju przedmiotu oraz zmniejszenie
naprężeń hartowniczych. Osiąga się to dzięki ograniczeniu do minimum naprężeń cieplnych.
Przedłużenie czasu przed przemianą martenzytyczną obniża również naprężenia
strukturalne. Hartowanie stopniowe stosowane jest do wytworzenia przedmiotów szczególnie
podatnych na odkształcenia hartownicze.
Rys. 4 Przebieg chłodzenia stali na wykresie CTP dla hartowania stopniowego
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 3
c) hartowanie przerywane, sprowadza się do chłodzenia przedmiotu w dwóch
ośrodkach chłodzących np. początkowo w wodzie do temperatury nieco wyższej od Ms, a
następnie w oleju do temperatury otoczenia. W hartowaniu przerywanym następuje zmiana
ośrodka oziębiającego - na wolniej odbierający ciepło. Dzięki temu chłodzenie przedmiotu w
zakresie przemiany martenzytycznej jest wolniejsze, co zmniejsza naprężenia hartownicze w
obrabianym materiale.
d) hartowanie z przemianą izotermiczną, polega na chłodzeniu przedmiotu z
szybkością większą od krytycznej w kąpieli o temperaturze wyższej od Ms (rys. 5),
przetrzymaniu przez czas wystarczający do przemiany całego austenitu przechłodzonego w
bainit, a następnie dalszym chłodzeniu, zwykle na powietrzu. Hartowanie z przemianą
izotermiczną ma na celu znaczne zmniejszenie odkształceń przy jednoczesnym zwiększeniu
plastyczności i udarności. W porównaniu do hartowania martenzytycznego zwykłego,
hartowanie izotermiczne pozwala zachować stosunkowo wysoką twardość jak również
sprężystość. Taki rodzaj hartowania stosuje się zazwyczaj do drobnych, masowo
produkowanych przedmiotów ze stali węglowych.
Rys. 5 Przebieg chłodzenia stali na wykresie CTP dla hartowania z przemianą izotermiczną
Hartowanie powierzchniowe
a) hartowanie indukcyjne, polega na nagrzaniu warstwy wierzchniej materiału
prądem elektrycznym indukowanym przez zmienne pole magnetyczne. Pole to jest
wytwarzane przez wzbudnik, czyli cewkę zasilaną prądem wytwarzanym przez generatory
prądu zmiennego. Wzbudniki są najczęściej sprzężone z natryskiwaczami wody lub same
pełnią tę funkcję.
b) hartowanie płomieniowe, ten rodzaj obróbki cieplnej polega na nagrzaniu
powierzchni przedmiotu palnikiem gazowym. Palnik jest sprzężony z natryskiwaczem wody,
co umożliwia bezpośrednie oziębianie, materiału po jego nagrzewaniu.
c) hartowanie kąpielowe, polega na krótkim zanurzeniu obrabianego elementu w
kąpieli nagrzanej do temperatury 1000÷1200˚C. Jako kąpiel można stosować sól lub jako
medium grzewcze roztopione żeliwo. Po nagrzaniu powierzchni elementu oziębia się go
przez zanurzenie w wodzie.
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 4
Definicje i parametry hartowności
Hartowność
Jest ważną cechą stali poddawanych obróbce cieplnej. Stanowi jedno z kryteriów
doboru stali ulepszonych cieplnie do określonych zastosowań. Jest to zdolność stali do
utworzenia struktury martenzytycznej, czyli do utwardzania się w głąb przekroju przy
oziębianiu od temperatury krytycznej. Hartowność jest ściśle powiązana z jej krytyczną
szybkością chłodzenia (vk), im większa vk tym hartowność jest mniejsza. Podstawowym
parametrem hartowności jest idealna średnica krytyczna wyznaczana za pomocą próby
hartowania od czoła. Na podstawie tej próby określa się takie parametry jak średnicę
krytyczną (Dk) oraz idealną średnicę krytyczną (Di). Istotnymi parametrami hartowności
jest także grubość warstwy zahartowanej, intensywność chłodzenia oraz rozkład
twardości na przekroju pręta, które można wyznaczyć z wykorzystaniem krzywej
hartowności.
Krytyczna szybkość chłodzenia
Krytyczna szybkość chłodzenia jest to najmniejsza szybkość chłodzenia stali,
przy której możliwe jest zajście przemiany martenzytycznej, czyli bezdyfuzyjnej
przemiany przesyconego węglem roztworu stałego węgla Fe w martenzyt. Po
hartowaniu w strukturze występuje martenzyt i austenit szczątkowy. Krytyczną szybkość
chłodzenia należy osiągnąć nie w całym zakresie temperatur chłodzenia, lecz tylko w
zakresie najmniejszej trwałości austenitu. Natomiast w pozostałych zakresach
temperatur, zwłaszcza podczas przemiany martenzytycznej szybkość ta może być
znacznie mniejsza.
Rys. 6 Schemat wykresów CTP : a) stal o małej hartowności b) stal o dużej hartowności
Rysunek 6 przedstawia minimalną szybkość chłodzenia (vk) z jaką musi być chłodzona
stal, aby mogła zajść przemiana martenzytyczna. Prezentowane wykresy CTP ilustrują
różnicę pomiędzy szybkości krytycznych chłodzenia. Stal o dużej hartowności posiada
większy zakres temperaturowy istnienia austenitu (rys. 6b), niż stal o małej hartowności
(rys. 6a).
Średnica krytyczna
Miarą hartowności jest średnica krytyczna (Dk) i stanowi ona podstawowe kryterium
hartowności stali. Jest to maksymalna średnica pręta z danego gatunku stali, który
w określonym ośrodku chłodzącym zahartuje się na wskroś. Jako kryterium zahartowania
przyjmuje się obecność w przekroju poprzecznym pręta struktury o udziale martenzytu nie
mniejszym niż 50% (D50).
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 5
Przyjęcie za kryterium zahartowania minimum 50% martenzytu
w strukturze jest
spowodowane łatwością określenia grubości strefy zahartowanej zarówno drogą obserwacji
mikroskopowych, jak i na przełomie lub metodą pomiaru twardości. Na zgładzie po trawieniu
strefa zahartowana jest jasna, a niezahartowany rdzeń ciemny. Natomiast na przełomie
strefa zahartowana odznacza się wyraźnie jedwabistym, prawie bezziarnistym wyglądem.
Idealna średnica krytyczna
Idealna średnica krytyczna (Di) to miara hartowności niezależna od warunków
hartowania. Jest to maksymalna średnica pręta wykonanego z danego gatunku stali,
zahartowanego na wskroś w hipotetycznym ośrodku chłodzącym, którego współczynnik
intensywności chłodzenia, H, jest równy nieskończoności.
Grubość warstwy zahartowanej
Warstwa zahartowana jest to strefa, w której znajduje się przynajmniej 50 %
martenzytu tzw. kryterium półmartenzytycznej, pomaga ona ułatwić określenie grubości
strefy zahartowanej.
Czynniki wpływające na hartowność
Skład chemiczny stali – 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. Wyjątek stanowi kobalt
przesuwający krzywe w lewo.
Składnik i 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.
Szczególnie duży wpływ na zwiększenie hartowności ma mikrododatek boru. Bor w ilości
0,0025-0,0040% znacznie zwiększa hartowność stali. Dzięki dużemu współczynnikowi
dyfuzji gromadzi się on przede wszystkim na granicach ziaren, obniża ich energię i opóźnia
przemiany dyfuzyjne, zwiększając w ten sposób hartowność stali. Oddziaływanie boru jest
mniej intensywne, gdy stal zawiera większą ilość węgla i azotu. Szczególnie azot,
wykazujący duże powinowactwo do boru, musi być związany glinem lub tytanem, aby wolny
bor mógł oddziaływać na zwiększenie hartowności.
Wielkość ziarna austenitu – im większe ziarno austenitu, tym większa jest głębokość
hartowania. Wzrost wielkości ziarna austenitu powoduje, że zmniejsza się liczna ziaren
przypadająca na jednostkę powierzchni. Granica ziarna stanowi defekt struktury krystalicznej
stopu, który jest uprzywilejowanym miejscem zarodkowania produktów przemian dyfuzyjnych
przechodzącego austenitu. Zwiększenie wielkości ziarna zwiększa więc trwałość tego
austenitu.
Jednorodność składu chemicznego 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 - Obecność nierozpuszczonych
cząstek i związki międzymetaliczne podczas austenityzowania powodują zmniejszenie
hartowności stali. Dzieje się tak ponieważ granice między cząstką a austenityczną osnową,
podobnie jak granice ziarn austenitu, są miejscami uprzywilejowanego zarodkowania
produktów przemian dyfuzyjnych i pośrednich.
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 6
Charakterystyka ośrodków chłodzących
Struktura stali zależy od szybkości chłodzenia, dlatego dobór odpowiedniego ośrodka
chłodzącego ma decydujący wpływ na otrzymany efekt, tym bardziej, że krytyczne prędkości
chłodzenia różnych stali zmieniają się w szerokich granicach. Zależnie to od ich składu
chemicznego, wielkości ziarna i jednorodności austenitu. Hartowanie polega na doborze dla
określonego gatunku stali takiego sposobu chłodzenia, aby uniknąć dyfuzyjnej przemiany
austenitu, ale jednocześnie nie wywołać dużych naprężeń spowodowanych zbyt szybkim
ochłodzeniem obrabianego przedmiotu. Dla większości stali konstrukcyjnych najbardziej
istotna jest szybkość chłodzenia w zakresie temperatur 700÷450˚C, ponieważ to ona przede
wszystkim decyduje o uniknięciu przemian dyfuzyjnych. Z kolei w zakresie temperatury Ms ,
szybkość chłodzenia powinna być mała, aby uniknąć nakładania się naprężeń strukturalnych
i cieplnych. Każdy ośrodek chłodzący ma zmienną intensywność chłodzenia zależną
od temperatury. Najczęściej stosuje się ośrodki chłodzące ciekłe, ale można również
stosować ośrodki gazowe i stałe.
W procesach obróbki cieplnej wykorzystuje się ośrodki chłodzące takie jak:
 Woda oraz wodne roztwory soli, zasad i polimerów;
 Oleje hartownicze;
 Kąpiele solne i metalowe;
 Ośrodki sfluidyzowane;
 Powietrze i inne gazy.
Rys. 7 Zdolność chłodząca: a) wody spokojnej, b) wody z cyrkulacją, c)15% wodnego
roztworu NaCl, d) oleju hartowniczego OH-70 świeżego, e) oleju hartowniczego OH-70
eksploatowanego przez 7 miesięcy, f) emulsji wodno-olejowej zawierającej 10% oleju
Zdolność chłodzącą różnych ośrodków ocenia się zwykle na podstawie krzywych
chłodzenia. Charakterystyki zdolności chłodzenia różnych ośrodków zostały przedstawione
na rysunku 7.
Do ośrodków intensywnie chłodzących należą roztopione sole i kąpiele metaliczne.
Znacznie większą zdolność chłodzenia wykazują roztwory wodne soli i zasad. Woda chłodzi
znacznie intensywniej niż olej hartowniczy.
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 7
Mieszając w odpowiednich proporcjach wodę z olejami lub polimerami, uzyskuje się emulsje
o pośrednich intensywnościach chłodzenia. Regulacja zdolności chłodzenia jest możliwa
również w złoży fluidalnym i może się odbywać przez zmianę prędkości przepływu gazu.
Najmniej intensywnie chłodzącym ośrodkiem jest powietrze. Własności chłodzące
poszczególnych ośrodków ulegają zmianą w zależności od temperatury oraz szybkości ich
ruchu (cyrkulacji).
Miarą intensywności chłodzenia jest współczynnik intensywności chłodzenia (H). Określa
zdolność ośrodka oziębiającego do przejmowania ciepła. Współczynnik H został
zaproponowany przez Grossmanna, a jego wartość jest równa stosunkowi współczynnika
przejmowania ciepła α do współczynnika przewodnictwa cieplnego, λ (rów. 1).
(1)
gdzie :
- współczynnik intensywności chłodzenia
- współczynnik przejmowania ciepła
λ - współczynnik przewodnictwa cieplnego
Wymiarem współczynnika H jest cal-1 a jego wartość może zmieniać się od zera do
nieskończoności. H = 0 odpowiada idealnemu izolatorowi ciepła, natomiast H = ∞ idealnemu
ośrodkowi chłodzącemu, czyli takiemu, w którym powierzchnia przedmiotu natychmiast
osiągnęłaby temperaturą ośrodka. Najczęściej przyjmuje się, że dla wody H = 1,5, a dla oleju
H = 0,3.
Porównanie współczynników H dla różnych ośrodków chłodzących przedstawiono w tabeli 1
Tabela 1 Przybliżone wartości współczynników intensywności chłodzenia różnych ośrodków
wg Grossmanna
Ruch ośrodka
Brak ruchu
Słaby
Średni
Silny
Bardzo silny
Gwałtowny
Wartość współczynnika intensywności chłodzenia H dla ośrodków:
Powietrze
Olej
woda
Wodny roztwór NaCl
0÷0,2
0,25÷0,30
0,9÷1,0
2,0
0,30÷0,35
1,0÷1,1
2,0÷2,2
0,35÷0,40
1,2÷1,3
0,05
0,40÷0,50
1,4÷1,5
0,50÷0,80
1,6÷2,0
0,80÷1,0
4,0
5,0
Metody badań hartowności
Metoda Shepharda
Metoda P-F (Shepherd 1934)polega na obserwacji przełomu próbki zahartowanej w
10% roztworze NaCl: cztery próbki o średnicach 19 mm z naciętym karbem po hartowaniu w
temperaturach 790˚C, 815˚C, 840˚C i 870˚C łamie się i określa głębokość zahartowania oraz
wielkość ziarna na podstawie porównania z kompletem wzorców skali Jernkontoret Obecnie
stosuje się do badania hartowności stali węglowych narzędziowych.
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 8
Metoda krzywych „U”
Metoda ta polega na hartowaniu w stałych warunkach prętów z danego gatunku stali
o różnych średnicach i wyznaczaniu rozkładów twardości na przekroju poprzecznym
każdego pręta wzdłuż średnicy. Wyniki próby podaje się w postaci wykresu twardości w
funkcji odległości od środka próbki wzdłuż średnicy. Punkt przegięcia na krzywej twardości
odpowiada średnicy krytycznej przekroju, w którym występuje 50% martenzytu – D50
(rys. 8 i 9).
Rys. 8 Rozkład twardości wzdłuż średnicy przekroju poprzecznego zahartowanych prętów oraz
sposobów wyznaczania średnicy krytycznej D50
Rys. 9 Krzywe zmiany twardości na przekroju okragłych prętów o różnych srednicach po
hartowaniu w wodzie: a) stal 45, b) stal 40H
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 9
Metoda hartowania od czoła (metoda Jominy)
Metoda hartowania od czoła została ujęta w normie PN-EN ISO 642:2002. Próba
chłodzenia od czoła według Jominy’ego polega na oziębianiu powierzchni czołowej
znormalizowanej cylindrycznej próbki o wymiarach: średnica – 25 mm, długość – 100 mm
(rys. 10). Próbka jest hartowana od czoła strumieniem wody wypływającym z dyszy, która
ma promień równy 12,5 mm. Schemat urządzenia do oziębiania został przedstawiony na
rysunku 11.
Po zahartowaniu zeszlifowuje się po 0,4÷0,5 mm wzdłuż przeciwległych tworzących
próbki dokonuje pomiarów twardości aparatem Rockwella w skali HRC. Pomiary wykonuje
się w odległościach: 2 odcinki co 1,5mm, 6 co 2mm i dalsze co 5mm.
Rys. 10 Wymiar próbki do hartowania metodą od czoła z kołnierzem
Rys. 11 Schemat urządzenia do oziębiania próbki Jominy’ego
1 - uchwyt do mocowania i centrowanie próbki, 2 – próbka zamontowana, 3 - przesłona, 4 – końcówka
rury zasilającej wodą, 5 - zawór, 6 – rura zasilająca wodę
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 10
W wyniku jednokierunkowego odprowadzania ciepła szybkość chłodzenia jest funkcją
odległości od czoła, więc struktura stali i twardość zmieniają się w sposób ciągły,
od martenzytu na powierzchni chłodzonej próbki do produktów dyfuzyjnych przemian
austenitu (ferryt, perlit) na przeciwległym jej końcu.
Próba hartowania od czoła metodą Jominy’ego pozwala uzyskać krzywą hartowności,
która jest zależnością twardości od odległości od czoła próbki. Dzięki niej możemy
wyznaczyć idealną średnicę krytyczną (Di), która z kolei jest jednym z kryteriów ilościowej
oceny hartowności. Na jej podstawie wyznacza się średnicę krytyczną (Dk).
W celu wyznaczenia idealnej średnicy krytycznej Di na podstawie krzywej
hartowności niezbędna jest znajomość twardości strefy półmartenzytycznej HRC50. Wykres
określający wpływ zawartości węgla na twardość stali o różnej zawartości martenzytu został
przedstawiony na rysunku 12.
Rys. 12 Twardość zahartowanej stali w zależności od zawartości węgla i martenzytu w
strukturze
Znajomość twardości strefy półmartenzytycznej HRC50 pozwala na określenie odległości
krytycznej próbki (lk). Na jej podstawie z wykresu zależności idealnej średnicy krytycznej (Di)
od odległości strefy półmartenzytycznej (lk) możemy wyznaczyć wartość idealnej średnicy
krytycznej (Di) (rys. 13).
Rys. 13 Wykres zależności Di=f(lkr)
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 11
Znając wartość idealnej średnicy krytycznej, za pomocą wykresu uwzględniającego
zależność średnicy krytycznej (Dk) od średnicy idealnej (Di) i współczynnika (H) (rys. 14),
możemy wyznaczyć średnicę krytyczną badanej próbki.
Rys. 14 Zależność średnicy krytycznej od średnicy idealnej i współczynnika H
Z próby Jominy’ego można określić:
a) maksymalną twardość stali po zahartowaniu,
b) charakter zmian twardości, a po odpowiednim przeliczeniu i innych właściwości
mechanicznych (w przybliżeniu),
c) idealną średnicę krytyczną, a za pomocą odpowiednich nomogramów także
średnicę krytyczną.
Metoda analityczna Grossmanna
Kolejną metodą wyznaczania idealnej średnicy krytycznej (Di) jest analityczna
metoda Grossmanna. Uwzględnia ona ilościową zależność (Di) od współczynników
hartowności (Dp, fx), które wyrażają wpływ węgla, wielkości ziarna austenitu i poszczególnych
pierwiastków stopowych na hartowność stali. Idealną średnicę krytyczną opisuje równanie 2:
Di = Dp ∙ fMI ∙ fMII ∙ fMIII ∙ … ∙fMn
(2)
gdzie :
Di – idealna średnica krytyczna,
Dp – średnica podstawowa, zależna od zawartości węgla i wielkości ziarna austenitu,
fMI, fMII , fMIII , fMn – współczynnik hartowności poszczególnych pierwiastków.
Obliczenia polegają na ujęciu w formie współczynników wpływ składu chemicznego stali
i wielkości ziarna austenitu na hartowność stali. Współczynnik Dp (średnica podstawowa)
obliczany jest według wzoru (rów. 3):
(3)
gdzie :
– współczynnik zależny od wielkości ziarna austenitu,
% C – zawartość procentowa węgla na podstawie składu chemicznego badanej stali.
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 12
(4)
gdzie :
– numer klasy ziarna w skali ASTM (American Society for Testing and Materials).
Każdy pierwiastków stopowych odmiennie wypływa pod względem ilościowym na
hartowność stali poprzez wzajemne oddziaływanie w roztworze. Czasami zdarza się, że
występowanie dwóch pierwiastków w danych roztworze powoduje wzajemnie zmianę
oddziaływania poszczególnych pierwiastków.
Dla małych zawartości pierwiastka X w roztworze jego oddziaływanie przedstawiane jest
liniowo według wzoru (rów. 5) [1]:
1∓ a∙X
(5)
gdzie:
a – stała empiryczna wyrażająca siłę oddziaływania danego pierwiastka X na hartowność
stali,
X – koncentracja pierwiastka stopowego w %.
f
M=
Wartość dodatnia współczynnika, a wpływa na wzrost hartowności, natomiast wartość
ujemna na jej obniżenie.
. W przypadku danych Grossmanna wpływ wielkości ziarna austenitu, zawartości
węgla i pierwiastków stopowych opisany jest równaniami zamieszczonymi w tabeli 2 i 3.
Tabela 2 Numer ziarna ASTM i wartość D0 w zależności od wielkości ziarna austenitu
Nr ziarna ASTM
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
D0 mm (dla 50% martenzytu)
13,90
12,80
11,80
10,95
10,15
9,40
8,65
7,95
7,30
6,75
* gdzie: C oznacza zawartość węgla w procentach ciężarowych
Należy podkreślić, że w literaturze dane o wpływie pierwiastków na hartowność
prezentowane są w formie wykresów, a prezentowane na wykresach zależności zazwyczaj
nie mają charakteru liniowego. Digitalizacja wykresów i matematyczny opis występujących
zależności (np. aproksymacja wielomianowa) umożliwiają komputerowe obliczanie
parametrów hartowności.
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 13
Tabela 3 Współczynniki hartowności niektórych pierwiastków
Pierwiastek
Chrom
Krzem
Molibden
Aluminium
Miedź
Fosfor
Siarka
Granica stosowalności w %
1,4
2,0
0,5
0,4
1,5
0,1
0,1
f=1+ax
1+2,16Cr
1+0,70Si
1+2,68Mo
1+0,93Al
1+0,27Cu
1+2,83P
1-0,62S
Literatura:
1. Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo; Wydawnictwo Naukowo-Techniczne; Warszawa;
2003.
2. Hucińska J.: Metaloznawstwo; Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej; Gdańsk; 1995
3. Dobrzański L. A.: Metaloznawstwo i Obróbka Cieplna; Wydawnictwo Szkolne i
Pedagogiczne; Warszawa; 1997.
4. Polskie Normy; PN-79/H-04402; Metody Badania Hartowności Stali. Metoda
Hartowania od Czoła
5. Pacyna J.: Metaloznawstwo; Uczelniane Wydawnictwo Naukowo - Dydaktyczne;
Kraków; 2005.
6. Blicharski M.: Wstęp do Inżynierii Materiałowej; Wydawnictwo Naukowo –
Techniczne; Warszawa; 2001.
7. Blicharski M.: Inżynieria Materiałowa Stal; Wydawnictwo Naukowo - Techniczne;
Kraków; 2009.
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 14
Ćwiczenie laboratoryjne nt. ” Badanie hartowności stali”
Pytania kontrolne
1. Podać definicję hartowania, krótko scharakteryzować rodzaje hartowania.
2. Zdefiniować pojęcia:
a) hartowność,
b) krytyczna szybkość chłodzenia,
c) średnica krytyczna,
d) idealna średnica krytyczna,
e) warstwa zahartowana.
3. Omówić czynniki wpływające na hartowność.
4. Omówić czynniki wpływające na krytyczną szybkość chłodzenia.
5. Omówić wpływ zawartości węgla i warunków hartowania twardość stali po
hartowaniu.
6. Charakterystyka ośrodków chłodzących.
7. Omówić metodę przełomów próbnego hartowania (metoda Shepharda).
8. Omówić metodę krzywych U.
9.
Omówić metodę hartowania od czoła (Jominy’ego). Jak wyznaczamy na podstawie
próby wartości Di i Dk?
10. Omówić metodę obliczeniowa (Grossmanna).
11. Wpływ pierwiastków stopowych na wykresy CTP.
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 15
INSTRUKCJA DO ZAJĘĆ
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami obliczania hartowności oraz
wykorzystanie wyników badań hartowności do przewidywania rozkładu twardości na
przekroju pręta chłodzonego w ośrodku o znanej intensywności chłodzenia.
Materiał do badań:
-
próbka nr 1 – stal średniowęglowa C45
-
próbka nr 2 – stal średniowęglowa 40Cr4
Parametry próby hartowania:
Temperatura austenityzowania: Ta = 850oC
Czas wyżarzania: 45 min
Wielkość ziarna austenitu wg ASTM (tabela 1).
METODA HARTOWANIA OD CZOŁA (JOMINY’EGO)
 Wykonanie próby hartowności wg PN-EN ISO 642:2002
Opis przebiegu próby hartowności według PN-EN ISO 642:2002:
1) Ustalić temperaturę hartowania próbki Jominy’ego, wykonanej ze stali konstrukcyjnej
węglowej.
2) Próbkę umieścić w pojemniku ze środkiem zabezpieczającym ją przed odwęgleniem
(węgiel drzewny, wiórka żeliwne, przepalony proszek do nawęglania),
w osłonach z żeliwa lub stali, na których dnie można również umieścić wkładkę
grafitową, płytkę z elektrod węglowych lub zastosować atmosferę ochronna
gazu – argon.
3) Pojemnik z próbką wstawić do nagrzanego pieca. Czas wygrzewania przyjąć ok 45
min.
4) W czasie nagrzewania próbki przygotować urządzenie hartownicze :
a) W tym celu należy ustawić uchwyt do założenia próbki tak, aby oś próbki
pokrywała się z osią dyszy, dającej wytrysk wody
b) Odległość pomiędzy powierzchnią czołową a wylotem dyszy ma wynosić 12 mm
c) Ponad to należy tak wyregulować wysokość wytrysku wody z dyszy, aby była
stała i wynosiła 65 mm nad wylot dyszy
5) Po wygrzaniu próbki wyjąc ją z pojemnika i włożyć do suchego ustawionego
uchwytu. W tym czasie strumień wody powinien być przysłonięty. Natychmiast po
umieszczeniu próbki w uchwycie skierować strumień wody na czoło próbki przez
odsłonięcie przesłony. Próbkę umieścić w aparacie do zupełnego ostudzenia (ok 15
min). Czas przenoszenia próbki z pieca do uchwytu nie może przekraczać 5 sekund.
6) Zahartowaną próbkę należy przeszlifować w dwóch jednakowo oddalonych od osi
próbki i równoległych od osi próbki płaszczyznach zdejmując jednostronnie warstwę
od 0,4 do 0,5 mm. W celu uniknięcia zmian strukturalnych próbkę należy w czasie
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 16
szlifowania intensywnie chłodzić (zabezpieczenie przed odpuszczeniem miejsc
nagrzewających się)
7) Pomiar twardości należy wykonać metodą Rockwella na skali C w odpowiednich
odległościach od czoła próbki.
 Wyniki badań twardości zestawiamy w tabeli (tablica zbiorcza wyników badań).
 Sporządzamy wykres hartowności stali w układzie twardości HRC - odległość od
czoła próbki.
Rys. 15 Przykładowy wykres zależności twardości HRC od odległości od czoła próbki
 Znajdujemy twardość strefy półmartenzytycznej HRC50 dla danego gatunku stali
z wykresu twardość strefy półmartenzytycznej od zawartości węgla.
Rys. 16 Wpływ węgla na twardość struktur po hartowaniu (Hodge, Orehoski).
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 17
 Znając twardość strefy półmartenzytycznej dla danego gatunku stali możemy
znaleźć odległość od czoła, w której występuje struktura zawierająca 50% martenzytu
(odległość krytyczna lkr).
Rys. 17 Sposób wyznaczania odległości krytycznej lkr
 Znając DJ z wykresu zależności Dkr = f (DJ) wyznaczamy wpływ ośrodka chłodzącego
na średnicę krytyczną Dkr ( dla ośrodków H = 1 (woda) i H =  (hipotetyczny ośrodek
chłodzący o nieskończonej możliwości chłodzenia)). Do określenia Di wykorzystujemy
wykres (rys. 5):
Rys. 5. Zależność idealnej średnicy krytycznej, Di od odległości strefy półmartenztycznej, lk dla
zakresu wartości lk do 100 mm
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 18
OCENA HARTOWNOŚCI BADANYCH STALI METODĄ ANALITYCZNĄ GROSSMANNA
Tabela 4 Nr ziarna ASTM i wartości Dp w zależności od wielkości ziarna austenitu
%C - oznacza zawartość węgla w procentach ciężarowych
Tabela 5 Współczynniki hartowności niektórych pierwiastków
%X – zawartość pierwiastka w procentach ciężarowych
 Wyznaczamy idealną średnicę krytyczną (średnicę krytyczną) na podstawie składu
chemicznego i wielkości ziarna austenitu.
DIC = DpC * f1* f2 * f3 * f4 * f5 ...*fn
DpC – średnica podstawowa zależna jedynie od zawartości węgla i wielkości ziarna
austenitu.
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 19
f1....fn – współczynniki hartowności zależne od zawartości poszczególnych pierwiastków
w stali.
OBLICZANIE KRZYWEJ HARTOWNOŚCI NA PODSTAWIE Di
 Z krzywej Jominy znajdujemy twardość martenzytu HRCM (1 punkt na krzywej
Jominy).
 W tabeli 3 (stal ≥0,25%C) instrukcji znajdujemy wiersz w którym Di jest najbardziej
zbliżona do naszej obliczonej.
 Wprowadzamy wartości współczynników kl znalezionego wiersza i odpowiadające
im wartości l, do tabeli 3.
 Obliczamy HRCl = HRCM/kl
 Rysujemy wykres HRCl = f(l)
Tabela 6 Krzywa hartowności obliczana
l
kl
HRCM
HRCl
PRAKTYCZNE WYKORZYSTANIE KRZYWEJ HARTOWNOŚCI DO OBLICZANIA
KRZYWEJ „U”
 Korzystamy ze wzorów (rysunków) 8a-8k, odczytujemy dla danego ośrodka
chłodzącego i danej średnicy pręta odległość od chłodzonego wodą czoła (l).
 Odczytujemy z wykresu Jominy twardość HRC próbki dla danej odległości l
[mm]
 Rysujemy wykres HRC = f(l)
Tabela 7 Odległości l[mm] odczytane z krzywych hartowności
r/R (dla 0; 0,1; 0,2; 0,3...1)
l [mm]
HRC próbki
0
0,1
0,2 itd.
Dr inż. Joanna Augustyn-Pieniążek
Strona 20