ZMODYFIKOWANA PRÓBA JOMINY ".J-M"

Soliditikation of Metais nnd Alloys, No. 32, 1997
Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 32, 1997
PAN- Oddział Katowice
32/23
PL ISSN 0201!-9386
ZMODYFIKOWANA PRÓBA JOMINY ".J-M"
JURA Stanislaw, JURA Zbigniew,
LABĘCKI Mariusz. SUCHOŃ Jacek,
Katedra Odlewnictwa Politechniki Śląskiej
ul. Towarowa nr 7, 44-100 GLIWICE
Streszczenie
Typową próbkę do badania twardości metodą Jominy zaizolowano cieplnie na
pobocznicy. Uzyskano w ten sposób jednokierunkowy odpływ ciepła. Stwarzano
przybliżone warunki jakie panują w ściance odlewu pociczas chłodzenia. Opracowana
za le żność HI?.C = f
twardości
l.
dl') - pozwala w procesie symulacji cieplnej na
(dl
określenie
pola
w dowolnym przekroju odlewu.
Wstęp
Próba Jominy jest dobrze znana wszystkim metalurgom i metaloznawcom.
Szczególną rolę spełnia
oraz
narzędziowej.
zmian
twardości
w badaniu procesów ulepszania cieplnego stali konstrukcyjnej
Z próby tej
stali w
korzystają
zależn ości odległości
Warunki wykonania tej próby
podają
producenci stali
od
w
nor111a: PN-79/H-04402 rys. l (A). Najogólniej
mm i
długości
pomiarowej l 00 mm.
podając
charakterystyk i
czoła chłodzonego wodą.
każdym
kraju normy. W Polsce jest to
opisując
Próbkę tę
jest lo próbka o
nagrzewa
się
średnicy
25
do temperatury
179
hartowania a następnie
czo ła.
Po
zakłada się
schłodzeniu próbkę
przyrządu
do
się
szlifuje
i chłodzi
stałym
strumieniem wody od
odstępach ,
po pobocznicy i w odpowiednich
+
l
.---1
mnsa
;·,ola.:yj,;a .
125
100
~: u ra
A
swlu wn
13
tnt
tttt
WOUA
\VOJ)A
Rys. l Próba Jominy do badania ha11own o ś ci od czol a.
A- typowa próba Jominy, "J", B- modyfikowan a próba Jominy, "J-M "
li cząc
od
czoła,
s 1ę
bada
przedstawiono na 1ys.2. Ze
różnych odległościach
różny ch
od
twardość.
względu
na
Przykładowy
różną prędko ś ć
czoła różną twardość.
struktur w procesie
chłodzenia
wykres zmmn
twardo ś ci
studzenia otrzymuje
s ię
w
Spowodowane to jest powstaniem
i przemian fazowych .
2. Modyfikowana próba Jominy J-M .
Klasyczn a
materiałowej ,
żelaza .
w
próba
Jominy
szczególności
oddala
n1eocen10ne
wartości
w
in żyn1 c rii
dla badania kinetyki przemian fazowych stali i stopów
Próba ta jednak do celów obróbki cieplnej odlewów nie jest tak powszechnie
stosowania. A to
chociażby
dlatego,
że
odlewy wykonuje
się
o złożonych
ks ztałtach,
o
180
różnej grubości ścian
różnego
z
rodzaju
narożnikami,
otworami i
wklęśnięciami.
Wszystko to utrudnia interpretacje i lokalizacje różnych struktur w odlewie.
Według
Autorów próba Jorniny ,)" w swojej klasycznej formie stygnie
znacznie szybciej
Według
niż
np. blacha o tej
obliczeń
symulacyjnych
Oczywistym wydaje
się być, że
sam~ti grubości chłodzonej
cieplnych
różnica
ta
z jednej strony wodą.
może być
w takiej sytuacji twardość
będzie
nawet dwukrotna.
rozkładać się
inaczej
w funkcji odległości od czoła próbki czy od powierzchni chłodzonej blachy.
Mając
na uwadze te różnice postanowiono dla celów obróbki cieplnej odlewów
zmodyfikować próbę
Typową
rys.l.
Jominy.
próbkę
Zmiany konstrukcyjne tej próby przedstawiono na
Jorniny
pomiarowej.
Głębokość
zastosowano
odległości:
powierzchni
chłodzonej. Próbkę
izolacyjną.
Jako
nawiercono
nawiercenia otworu
20, 40, 50, 70 mm
wypełnienie
celem
zamontowania termopary
może być
licząc
od
czoła
dowolna. W badaniach
zaformowano w rurce stalowej
najkorzystniej jest
stosować
odległość
próbki czyli
masy z
od
wypełnionej masą
włókna
szklanego o
niskim ciężarze właściwym (objętościowym). Celem tej masy izolacyjnej jest
minimalizacja
próbkę
pojemności
Jorniny nagrzewa
Pomiarów
cieplnej oraz maksymalna izolacja cieplna.
się
w typowy sposób a
szybkości chłodzenia można dokonać
otworów na termoparę. Po ochłodzeni wyjmuje
twardości
Zaformowaną
następnie chłodzi się
dla kilku próbek o
się próbkę,
od
czoła.
różnej głębokości
szlifuje i dokonuje pomiaru
(HRC). Również na odpowiednich odległościach od czoła można przeciąć
próbki i dokonać metalograficznej oceny struktury. Przykładowe wyniki pomiaru
twardości
stali o
dla próby zmodyfikowanej przedstawiono na rys. 2.
następującym składzie
Próbkę
wykonano ze
chemicznym: C-0. 75%, Si-0.27%, Mn-1.17%, P-
0.028%, S-0.019%.
3.
Intensywność stygnięcia
Parametrem
decydującym
o
twardości
próbki i jej strukturze jest
zmian temperatury w czasie przemian alotropowych. Badania
chłodzenia
szybkość
przepro-
wadzono dla klasycznej próby Jorniny ,)" oraz dla modyfikowanej próby "J-M".
181
Wyniki pomiarów i
znacznie
obliczeń
szybcit~j niż
przedstawiono na rys. 3. Klasyczna próba Jorniny stygnie
próba modyfikowana. Jest to w
pełni
uzasadnione, próbka
klasyczna oddaje ciepło przez pobocznicę do otoczenia. Modyfikowana próbka
"J.t•-1''
ma całą pobocznicę zaizolowaną.
60
HRC
50
.'\~,'•••~\~~
\
~
'""---.~~·~ ~- ·~~
40
30
20
.,
L
l
L
o
.. .
""-"•
~
•
, '~
~---;
~
'--,•~~
-,_
",,
~
~"" -- ---:~ ----!""
""""""--!
'- '
20
40
-- •""""""
1----- ~- ., '
80
60
odległość
od
czoła
[mm]
Rys.2. Pomiar twardości HRC na modyfikowanej próbie Jorniny "J-M" dla stali
• zawartości 0,75% C
Symulacje cieplnąpróby normalnej ,,J" i modyfikowanej ,,J-M" przedstawiono rys. 4 i
5. Przedstawione obrazy izoterm obejmujązakres temperatur 600 do 700 st. C. Jest to
zakres w którym zachodząprzemiany alotropowe stali. Pole temperatur obliczono przy
182
10 , -- - - - - - ----- -------- --- dT/dt
(K/s]
8
4 1------1
•
_ __ _ _ __j__ _ _ _ _
o
20
40
odległość
Rys .3. Szybkość
stygnięcia
_
od
czoła
[mm]
próbki Jominy "J" oraz modyfikowanej próby Jominy "J-M"
700.0
l
l
l
1:
l
l
61!7.5
675.0
1:
t
t
l
t
l
l
662.5
650.0
l·
1:
l
-9 ·
625 . 0
612.5
60U.O
(~ .
l·
l
t
637.5
·9
<»:
t
.
.
t
1:
1:
l
j 20 . 00
1-----ł.l
_
BO
60
[s)
j 40.00[sl
j 120 .0(s. ]
c ...
Rys.4 . Pole temperatur w czasie
próbie Jominy "J"
stygnięcia
i przemian alotropowych w klasycznej
183
"C
7UU . U
6U?.S
(,7'5 . 0
1: :.
662.5
i·
650.0
4 •
d> ·
637.5
l
l·
625.0
6.t2 . 5
1: : l '
r
C.OU.O
l iSO tsl
l i20 ti>l
ł-----i1
l ?.50
[s)
,,,
c"
.
Rys 5. Pole temperatur w czasie stygnięcia i przemian alotropowych
w "modyfi kowanej próbie Jominy "J-M"
pomocy symulacyj nego programu ColdCAST. Można stosować inne programy - np.
SlMTEC-RWP .
Porównując
te obrazy widoczne
są
izotermy poziome w próbie
modyfikowanej aż do odległości 70 nun . Potwierdza to prawidłowość próby co daje
podstawy do wnioskowania o
4. Symulacja
twardości
rozkładu twardości
Rozwijające s1ę
ś ciance
dobty sposób
odlewu.
w odlewie
intensywnie teorie symulacji
cieplne ale również skurczowe,
Mając dosyć
i strukturze w
obejmują
nte tylko procesy
dyfuzyjne, procesy powstawani a struktwy i inne.
określania stygnięcia
próbki "J-M" oraz
łatwy
sposób
pomiaru twardości można tworzyć funkcje symulacji rozkładu twardo ś ci w próbie "J ..
M" a tym samy m w ściance odlewu. Przyjmując wyniki bada!'t przedstawione ma rys.2
184
oraz rezultaty obliczet1 przedstawione na rys. 3, skonstruowano nowy wykres
twardości
w funkcji
szybkości stygnięcia
w strefie przemian. Wyniki przedstawiono na
tys . 6. Na podstawie otrzymanych rezultatów
HRC
rozkładu twardości
przebieg krzywej
opisać funkcją:
= 26+2.33·( ~)
W programie symulacji cieplnej
pola
można
łatwo można za pisać tę zależność
i
utworzyć
w dowolny przekrojach odlewu.
- - - T - --- - 1
80
--r-----
~i--tRC =26 + 2.33 * (dT/dij]
_____
HRC
40
----
--==_Tl~~~=~
60
-------- - ------- - ---- -
20
o
' - - - - - - - - - - - ' ' - - - -- --
o
2
--'-- ---- - -- --·
4
6
8
szybkość chłodzenia
10
dT/dt [K/s)
Rys.6 . Zależność między twardością HRC a szybkością chłodzenia (dT/dt) próbki
ze stali o zawartości 0,75% C
185
Wnioski
Przedstawiony sposób przeprowadzenia próby Jominy "J-M" zmodyfikowanej
w zakresie sposobu
chłodzenia
pozwala na
określenie twardości
w
ściance
odlewu.
Warunki'em poprawności próby jest uzyskanie jednokierunkowego przepływu ciepła.
B łędy
w próbie zależne są od masy izolacyjnej . Masa taka powinna cechować się
małym ciężarem właściwym
i
małym
przewodnictwem cieplnym. Opracowane w ten
sposób równanie opisujące zależność twardości od szybkości chłodzenia może być
stosowane w programach symulacji cieplnej.
twardości
Można
w ten sposób
określić
na dowolnym przekroju odlewu.
Literatura
[l] Polska Norma- PN-79/H-04402
[2] Me Adarus W . H. : Heat transmisson, wyd. lll , 1954
[3] Touloukian Y. S. : Thennofizykch pro p. o f high temp. solid me lts 1967
pole