Wydział inżynierii materiałowej



Pobieranie 489,93 Kb.
Strona1/4
Data23.12.2017
Rozmiar489,93 Kb.
  1   2   3   4

WYDZIAŁ INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ
POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ


LABORATORIUM MATERIALOZNAWSTWA


Materiały pomocnicze do ćwiczenia nr 4 pt. :
„OBRÓBKA CIEPLNA STALI KONSTRUKCYJNEJ (ulepszenie cieplne)”

Opracował dr inż. Andrzej W. Kalinowski





  1. WIADOMOŚCI WSTĘPNE

Polska norma PN-76-H/0-01200 obróbkę cieplną definiuje 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, ze obróbka cieplna ogólnie jest sposobem wykorzystującym przemiany aktywowane cieplnie, jakie zachodzą w metalach, w celu osiągnięcia wymaganych właściwości mechanicznych czy fizykochemicznych, o ile nie jest celem zmiana składu chemicznego przypowierzchniowej warstwy metalu. Podstawą jej są


głównie zmiany strukturalne zachodzące w stopach pod wpływem przemian alotropowych i
zmiany wzajemnej rozpuszczalności składników w stanie stałym. Warunkiem możliwości
stosowania wielu rodzajów obróbek cieplnych jest więc konieczność aby przynajmniej jeden
ze składników stopu był polimorficzny lub posiadał zmienną rozpuszczalność innego
składnika w stanie stałym.

Nie zawsze jednak spełnienie któregoś z wymienionych warunków w określonym


stopie i po zastosowaniu do niego obróbki cieplnej da praktycznie opłacalny efekt.

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. 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 2OOO 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. Hartowanie

Zgodnie z PN- 76/H-0 1200 ogólnie harowanie jest to:

  • „hartowanie martenzytyczne - hartowanie przy zastosowaniu oziębienia z szybkością
    większą od krytycznej, w celu uzyskania struktury martenzytycznej”.

Przemiana martenzytyczna, dzięki której przeprowadza się hartowanie, zachodzi w
warunkach, kiedy austenit zostanie przechłodzony do takich temperatur w których bez względu na rozpuszczony w nim węgiel żelazo ulega przemianie alotropowej FeFe.

Dyfuzja węgla w niskich temperaturach jest tak mała. że można ją pominąć wtedy ma


miejsce tylko przebudowa sieci z RSC (A1) na RPC (A2) Z pewnym uproszczeniem można
powiedzieć, że mechanizm przemiany martenzytycznej polega na przesunięciach płaszczyzn
sieciowych w których biorą udział wszystkie leżące na nich atomy żelaza oraz w taki
sposób. ze atom żelaza w czasie przemiany nie zmienia swoich sąsiadów Ruch najbliżej
siebie lezących atomów jest mniejszy od parametru sieci. W czasie przemiany austenitu w
martenzyt zachodzi przebudowa sieci bez zmiany składu chemicznego fazy macierzystej i
fazy nowo utworzonej. Taka przemiana przebiega z dużą prędkością (wynoszącą od 1000
do 7000 m/s) i jest bezdyfuzyjną. Początkowo inicjują przemianę naprężenia cieplne powstałe w wyniku chłodzenia. Można uznać, ze nie zachodzi ona w stałej temperaturze a w pewnym jej zakresie - rozpoczyna się w temperaturze Ms (początek przemiany) i kończy w Mf (koniec przemiany). Zakres ten również nie jest stały lecz obniża się wraz ze w wzrostem zawartości węgla (rys. 1).

Rys. 1. Wykres początku (Ms) i końca (Mf) przemiany martenzytycznej w zależności od zawartości węgla


Inną charakterystyczną cechą jest brak wpływu szybkości chłodzenia na temperaturę początku przemiany. Natomiast szybkość chłodzenia wpływa wyraźnie na sam przebieg przemiany. Przy powolniejszym chłodzeniu nieco poniżej temperatury Ms przemiana zachodzi w większym stopniu, a przy temperaturach znacznie niższych od temperatury Ms (w przybliżeniu ok. 100C), gdy już utworzy się dość duża ilość martenzytu to przyspieszenie chłodzenia powoduje większy stopień przemiany.

Produktem jej jest roztwór stały przesycony węgla w żelazie Fe nazwany martenzytem, o


tym samym składzie chemicznym co austenit, W Fe bowiem maksymalna zawartość węgla
w temperaturze eutektoidalnej wynosi 0,02%. Przemianę tę dla uproszczenia można zapisać
symbolami, gdzie podwójny nawias oznacza stan przesycenia:

Fe (C)  Fe [(C)]





  1   2   3   4


©operacji.org 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna