Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego Spis treści




Pobierz 0.69 Mb.
NazwaPrzewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego Spis treści
strona2/13
Data konwersji09.12.2012
Rozmiar0.69 Mb.
TypPrzewodnik
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

Odpuszczanie


Przemiany w stali podczas odpuszczania


Odpuszczanie uprzednio zahartowanej stali polega na jej nagrzaniu do tempera­tury nieprzekraczającej Ac1, wygrzaniu w czasie od 30 minut do kilku godzin i ozię­bianiu. Operacja ta jest stosowana w celu zmiany struktury i właściwości materiału w kierunku poprawy ciągliwości i zmniejszenia kruchości kosztem obniżenia twar­dości oraz usunięcia występujących po hartowaniu naprężeń własnych.

Podczas odpuszczania martenzyt jako przesycony roztwór stały podlega prze­mianom zależnym od temperatury. W zakresie 80 - 250°C przemiana polega na wydzieleniu nadmiaru węgla w postaci węglika  o składzie zmiennym od Fe2C do Fe2,3C. Rezultatem jest stopniowy zanik tetragonalności sieci martenzytu oraz zwią­zanych z tym naprężeń. Od około 150°C węglik  jest zastępowany przez cementyt. Wynikiem powyższych przemian jest struktura złożona z częściowo przesyconego ferrytu oraz z submikroskopowych wydzieleń węglika  i cementytu, zwana marten-zytem odpuszczonym. Jednocześnie na skutek zaniku tetragonalności martenzytu i zmniejszenia naprężeń ściskających austenit szczątkowy (jeżeli jest) ulega przemia­nie w martenzyt odpuszczony. W temperaturze około 400°C otrzymujemy mieszani­nę nieprzesyconego ferrytu i cementytu.

W zakresie temperatury od 400°C do około 650°C wydzielenia cementytu przyjmują postać kulistą, a ich wymiary ulegają zwiększeniu. Przemiany te prowa­dzą do utworzenia struktury dwufazowej, zwanej sorbitem (rys. 2.9), będącej mie­szaniną ferrytu i cementytu o dyspersji zmniejszającej się ze wzrostem temperatury. Twardość sorbitu w zależności od składu chemicznego stali i warunków odpuszcza­nia wynosi od około 20 do około 45 HRC. Strukturę uzyskaną przez wygrzewanie w temperaturze około 700°C nazywamy sferoidytem (cementytem kulkowym na tle ferrytu).



Rys. 2.9. Struktura sorbityczna stali 55 (pow. 630x) Wpływ temperatury odpuszczania na właściwości mechaniczne

Omówione wyżej przemiany strukturalne określają właściwości mechaniczne od­puszczonej stali (rys. 2.10 i 2.11). Ogólnie biorąc, ze wzrostem temperatury od­puszczania maleje twardość, wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności, a wzrastają właściwości plastyczne: przewężenie, wydłużenie oraz udarność.

Występujące w stalach konstrukcyjnych dodatki stopowe (szczególnie Cr, Mo, Si) opóźniają proces rozkładu martenzytu. Aby uzyskać taki sam efekt odpuszczania (Rm, HRC) dla stali stopowej, należy podwyższyć temperaturę odpuszczania lub znacznie wydłużyć czas wygrzewania.

Po odpuszczeniu stali stopowych mogą wystąpić dwa rodzaje kruchości. Nieod­wracalna kruchość odpuszczania występuje przy około 300°C. Jej przyczyną jest wydzielanie się węglików na granicach igieł (listew) martenzytu. Odwracalna kru­chość odpuszczania występuje na skutek powolnego chłodzenia w zakresie 450 -600°C po odpuszczaniu niektórych stali stopowych. Można jej uniknąć przez szyb-



Rys. 2.10. Wpływ temperatury odpuszczania Rys. 2.11. Przybliżona zależność udarności od wy-
na właściwości mechaniczne stali 45 trzymałości ulepszanych cieplnie stali stopowych


kie chłodzenie po odpuszczaniu. Dodatek 0,2 - 0,3% Mo lub 0,5 - 0,6% W zmniej­sza skłonność stali do kruchości odpuszczania. W praktyce obróbki cieplnej stali rozróżnia się:

  • odpuszczanie niskie - w zakresie temperatury do 250°C w czasie 1 - 3 h przy
    chłodzeniu z dowolną szybkością; stosowane do części maszyn, od których wymaga
    się dużej twardości przy możliwie małych naprężeniach własnych;

  • odpuszczanie średnie - w zakresie temperatury 250 - 500°C; po odpuszcza­
    niu w temperaturze powyżej 400 - 500°C uzyskuje się wysoką granicę sprężystości
    przy dostatecznej plastyczności (sprężyny, resory);

  • odpuszczanie wysokie - pomiędzy temperaturą 500°C i Acl w czasie 2 - 3 h
    przy chłodzeniu powolnym lub przyspieszonym; stosowane do stali konstrukcyjnych
    w celu uzyskania optymalnego kompleksu właściwości mechanicznych, tj. dużych
    wartości Rm i Re przy dobrej plastyczności (duże wartości A, Z oraz K).

Kombinacje hartowania i odpuszczania określają następujące pojęcia:

  • utwardzanie cieplne (objętościowe lub powierzchniowe) jest to hartowanie
    martenzytyczne i następnie niskie odpuszczanie; jest ono stosowane do elementów
    wykonanych na gotowo, poddawanych po obróbce cieplnej jedynie procesom wykańczającym (np. szlifowaniu);

  • ulepszanie cieplne to hartowanie i następnie wysokie lub średnie odpuszcza­
    nie; takiej obróbce cieplnej na ogól są poddawane półwyroby (wałki, odkuwki); gór­
    na wartość twardości po ulepszeniu cieplnym (około 35 HRC) jest ograniczona ko­niecznością zapewnienia dobrej skrawalności.

Hartowność stali konstrukcyjnych

Pojęcie hartowności

Rzeczywisty rozkład struktury i twardości na przekroju zahartowanego elementu zależy od hartowności stali, z której został wykonany. W obszarze rdzenia, gdzie szybkość chłodzenia była mniejsza od krytycznej, występują oprócz martenzytu (rys. 2.12) struktury perlityczno - bainityczne. Po wysokim odpuszczaniu obszary te odznaczają się mniejszą wytrzymałością i udarnością.



Rys. 2.12. Struktura półmartenzytyczna stali 55 (pow. 500x)


Przez pojęcie hartowności rozumie się zdolność stali do utwardzania w procesie hartowania w stopniu zależnym od szybkości chłodzenia. O hartowności stali współdecydują:

  • utwardzalność - mierzona największą możliwą do uzyskania twardością przydanych warunkach austenityzowania (rys. 2.5); zależy ona głównie od stężenia wę­gla w austenicie;

  • przehartowalność - mierzona głębokością utwardzenia przy określonej szyb­kości chłodzenia; przehartowalność zwiększa się przy wzroście stężenia węgla i do­datków stopowych w roztworze stałym.

Badanie hartowności

Miarą przehartowalności jest średnica krytyczna Dk, tj. średnica pręta, w którym po zahartowaniu w ośrodku o danej intensywności chłodzenia uzyskuje się w rdze­niu strukturę z określonym minimalnym udziałem martenzytu, wyrażonym w pro-

centach, np. D80 lub D50. W osi wałka o średnicy krytycznej D50 występuje struktura półmartenzytyczna, której twardość, zależną od zawartości węgla, można odczytać z rys. 2.5. Średnica krytyczna jest cechą pozwalającą na porównanie hartowności i wstępny wybór właściwego gatunku stali.

Obecnie do badania hartowności stali stosuje się najczęściej metodę hartowania od czoła (PX-79/H-04402), zwaną również metodą Jominy'ego. Polega ona na chłodzeniu wodą od czoła próbki (rys. 2.13) austenityzowanej temperaturze Ac3 + (30 - 50°C) w czasie 30 minut, a następnie badaniu twardości w różnej odległości od czoła. Wynikiem próby jest wykres twardości HRC w funkcji odległości od czoła. Ma podstawie badania hartowności wielu wytopów danego gatunku stali konstruk­cyjnej opracowuje się tzw. pasma hartowności, które są zawarte w odpowiednich normach.




Rys. 2.13. Badanie hartowności metodą hartowania od czoła: a) wymiary i sposób chłodzenia próbki, b) wyznaczanie krzywej hartowności


Tak w próbce Jominy'ego, jak i w przedmiotach hartowanych objętościowo szybkość chłodzenia zależy od odległości od chłodzonej powierzchni. Oznacza to, że określonym odległościom od czoła próbki odpowiadają pod względem szybkości chłodzenia określone punkty przedmiotu hartowanego. Równocześnie wiadomo, że szybkość chłodzenia ze stanu austenitycznego determinuje strukturę (rys. 2.1) i twardość stali.

Na tych dwóch przesłankach opiera się wykorzystanie krzywych hartowności (hartowanie od czoła) do przewidywania właściwości elementów hartowanych ob­jętościowo, wykonanych z danej stali.

Stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego

Stale konstrukcyjne niestopowe

Stale tej grupy są przeznaczone do wyrobu różnych części maszyn. Stosuje się je w stanic normalizowanym, ulepszonym cieplnie lub hartowanym powierzchniowo (tabl. 2.1). Ze względu na ograniczoną hartowność tych stali średnice ulepszanych cieplnie elementów nie powinny przekraczać 25 mm. Część tych stali ma zwiększo­ną zawartość manganu, który poprawia hartowność i umożliwia hartowanie w oleju.

Tablica 2.1. Właściwości mechaniczne wybranych stali konstrukcyjnych niestopowych do utwardza­nia powierzchniowego i ulepszania cieplnego (według PN-93/H-84019)

Znak stali

Stan obróbki cieplnej

Własności mechaniczne (wartości minimalne)

Rm [MPa]

Re [MPa]

A5 [%]

Z[%]

45


55


45G

N

T

N

T

N

600

660

650

740

620

355

410

380

460

375

16

16

13

14

15

40

-

35

-

40

Stale te zawierają około 0,5% C, 0,5 - 1,0% Mn oraz 0,17 - 0,37% Si, max 0,30% Cr, max 0,30% Ni, max 0,30% Cu, max 0,10% Mo, max 0,08% As, max 0,04% P i max 0,04% S. Tempe­ratura hartowania i normalizowania wynosi około 830°C, a odpuszczania 550 - 660°C. Uwaga: Podane wyżej właściwości mechaniczne określono na próbkach kwalifikacyjnych obrabianych cieplnie. Odpowiednie właściwości dla wyrobów zależą od ich przekroju i są podane w wyżej wymienionej Polskiej Normie; N - normalizowanie, T - ulepszanie cieplne.

Stale konstrukcyjne stopowe

Stale stopowe do ulepszania cieplnego objęte normami PN-89/H-84030/04 i PN-72/H-84035 oraz stale również poddawane ulepszaniu cieplnemu, ale zaliczane do innych grup (np. stale o podwyższonej wytrzymałości, automatowe, do azotowania, do pracy w niskiej temperaturze), są podstawowym materiałem konstrukcyjnym w przemyśle maszynowym. Wykonuje się z nich silnie obciążane części maszyn, np. wały, koła zębate, sworznie, korbowody, które powinny charakteryzować się wyso­ką granicą plastyczności i wytrzymałością zmęczeniową, a jednocześnie znaczną ciągliwością i udarnością (odpornością na kruche pękanie). Tę optymalną kombina­cję właściwości użytkowych osiąga się dzięki wytworzeniu struktury sorbitu w pro­cesie ulepszania cieplnego.

Stale stopowe do ulepszania cieplnego (tabl. 2.2) zawierają zwykle 0,25 - 0,50% C oraz maksymalnie: 3% Cr, 5% Ni, 0,6% Mo, 3% V, 1% W, 2% Mn, 1,5% Si. Podstawowym dodatkiem stopowym stali do ulepszania cieplnego jest chrom.

Tablica 2.2. Konstrukcyjne stale stopowe do ulepszania cieplnego (przykłady według PN-89/H-84030/04 i PN-72/H-S4035)



Znak stali

Skład chemiczny [%] (wartości średnie)

Obróbka cieplna próbek kwalifikacyjnych

Własności mechaniczne (wartości minimalne)

C

Mn

Si

Cr

Ni

inne

hartowanie

odpuszczanie

Rm [MPa]

Re [MPa]

A5 [%]

Z[%]

KCU2 [J/cm2]

45G2


35SG


30HGS


40H


40HM


36HNM


40H2MF


25H2N4WA

0,45


0,35


0,32


0,40


0,42


0,35


0,42


0,25

1,60


1,25


0,95


0,65


0,55


0,65


0,65


0,40

0,27


1,25


1,15


0,27


0,27


0,27


0,27


0,25

Max 0,25


Max 0,25


0,95


0,95


0,95


1,05


1,75


2,0

Max 0,30


Max 0,30


Max 0,30


Max 0,30


Max 0,30


1,05


max 0,3


4,0

-


-


-


-


Mo-0,2


Mo-0,2


Mo-0,35

V-0,20


W-1,0

830 C olej


900 C olej


880 C olej


850 C olej


840 C olej


850 C olej


830 C olej


850 C olej

580 C olej


590 C olej


540 C olej


500 C olej


550 C olej


550 C olej


570 C powietrze


560 C olej

883


883


1079


981


1030


981


1226


1079

883


883


1079


981


1030


981


1226


1079

10


15


10


10


10


11


9


11

40


40


45


45


45


50


50


45

-


58


49


54


68


78


68


88

Zwiększa on hartowność oraz opóźnia procesy odpuszczania, co umożliwia uzyska­nie dużej wytrzymałości. Dla zwiększenia hartowności i przeciwdziałania kruchości odpuszczania stosuje się dodatek 0,15 - 0,25% Mo (np. 40 HM). Oprócz Cr pod­stawowym składnikiem tych stali jest Ni, który zwiększa hartowność, polepsza wła­ściwości plastyczne i jednocześnie obniża temperaturę przejścia plastyczno-kruchego (np. 40 HNM).

Do najtańszych stali stopowych do ulepszania zalicza się stale manganowe (np. 45G2), które charakteryzują się stosunkowo małą udarnością oraz skłonnością do rozrostu ziarna. Częściowe zastąpienie Mn tańszym Si sprzyja drobnoziarnistości stali, a ponadto podwyższa granicę sprężystości (np. 35SG). Wyraźnie większą hartowność mają stale Cr - Mn - Si (np. 35HGS), ale ich wadą jest skłonność do kruchości odpuszczania i dlatego po odpuszczeniu należy je chłodzić w oleju.

PRZEBIEG ĆWICZENIA Tablica 2.3. Próbki do badań

Nr próbki Stal Obróbka cielna Odczynnik

2.1 55 hartowanie 830°C - woda, azotal

odpuszczanie 180°C/l h, twardość 60 HRC

2.2 55 hartowanie 830°C - woda, azotal

zgład, na przekroju poprzecznym wałka 20

2.3 55 hartowanie 830°C - woda, azotal

odpuszczanie 600°C/l h, twardość 28 HRC

2.4 35 HGS hartowanie izotermiczne: azotal

890°C - kąpiel solna 350°C, 25 min, twardość 48 HRC

2.5 55 hartowanie indukcyjne, azotal

odpuszczanie 180°C/l h, twardość powierzchni 61 HRC

  1. Obejrzeć pod mikroskopem (pow. 500x) próbkę 2.1. Zidentyfikować struktu­
    rę. Nazwać proces obróbki cieplnej, któremu była poddana próbka.

  2. Obejrzeć pod mikroskopem próbkę 2.2. Zidentyfikować strukturę. Naszkico­
    wać strukturę w środku próbki i oszacować udział martenzytu. W przybliżeniu po­
    dać średnicę krytyczną D50 badanej stali.

  3. Obejrzeć pod mikroskopem próbkę 2.3 i porównać jej strukturę z zamieszczo­

nymi w instrukcji zdjęciami. Nazwać i opisać obserwowaną strukturę oraz podać jej
właściwości mechaniczne (tabl. 2.1).

  1. Porównać struktury próbek 2.1 i 2.4 i wyjaśnić różnice w ich twardościach i
    innych właściwościach użytkowych.

  2. Obejrzeć pod mikroskopem próbkę 2.5. Zidentyfikować i naszkicować strukturę warstwy martenzytycznej, strefy przejściowej oraz rdzenia. Wyjaśnić przyczynę takiego rozkładu struktury. Podać, jaki będzie orientacyjny rozkład twardości.

  3. W sprawozdaniu należy zamieścić wyniki obserwacji i analiz (rysunki struk­tur, komentarze) oraz wnioski końcowe.

LITERATURA UZUPEŁMJĄCA

Ciszewski A. Radomski T. Materiały konstrukcyjne w budowie maszyn, War­szawa, PWN 1998.

Dobrzański L. A. Metaloznawstwo z postawami nauki o materiałach, wyd. 4, Warszawa, WNT 1998.

Leda H., Wybrane metalowe materiały konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia, Po­znań, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 1997.

Rudnik S. Metaloznawstwo Warszawa, PWN 1998.

Ćwiczenie 3

Struktura i właściwości stali po obróbce cieplno-chemicznej

CEL ĆWICZENIA


Celem ćwiczenia jest poznanie wybranych metod obróbki cieplno-chemicznej oraz ich wpływu na strukturę i właściwości użytkowe stali obrobionych cieplnie.

NIEZBĘDNE WIADOMOŚCI

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

Powiązany:

Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego Spis treści iconPod redakcją: Roberta K. Leśniakiewicza © j o r d a n ó w 2 0 0 1 Spis treści: częŚĆ I a. I. Wojciechowskij co to byłO? Tajemnica podkamiennej tunguski

Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego Spis treści iconProgram nauczania I przewodnik dla nauczycieli autorstwa Andrzeja Adamiaka, podręcznik Wojciecha Janickiego oraz zeszyt ćwiczeń Huberta Maja

Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego Spis treści iconZeszyt do ćwiczeń spis treśCI

Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego Spis treści iconPrzewodnik dla nauczyciela : [praca zbiorowa] / pod red. Andrzeja Jerzmanowskiego. Warszawa : Wydaw. Szkolne I Pedagogiczne, 1999. 135 s.; 24 cm. (Reforma)

Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego Spis treści iconZeszyt ćwiczeń podstawy programowej spis treśCI

Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego Spis treści iconDla dużych projektów przewodnik w świetle polityki regionalnej ke wydanie 1997 Spis treści

Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego Spis treści iconSpis treści spis treści error: Reference source not found

Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego Spis treści iconKonspekt do ćwiczeń laboratoryjnych

Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego Spis treści iconSprawozdanie z ćwiczeń laboratoryjnych z fizyki

Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych pod redakcją Andrzeja Barbackiego Spis treści iconSprawozdanie z ćwiczeń laboratoryjnych z fizyki

Umieść przycisk na swojej stronie:
Rozprawki


Baza danych jest chroniona prawami autorskimi ©pldocs.org 2014
stosuje się do zarządzania
Rozprawki
Dom