hartowno i odpuszczalno stali - blog.scieramy.pl · 2018. 1. 16. · n gdzie: d i – idealna...

Hartowno�� i odpuszczalno�� stali

Materiały metalowe

© 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��.


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).


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)


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.


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.


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�.


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


Materiały metalowe


Współczynnik intensywno�ci chłodzenia Hokre�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

∞


Materiały metalowe


Eksperymentalne metody oceny hartowno�ci

Do najbardziej znanych metod oceny hartowno�ci nale��:

� metoda Shepharda,

� metoda Jominy’ego,

� metoda krzywych „U”.


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.


Materiały metalowe


Metoda Jominy’ego

Metoda Jominy’ego hartowania od czoła (PN-EN 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.


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


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.


Materiały metalowe


Rys. 4 Krzywa hartowno�ci, próbka i jej wymiary oraz sposób wyznaczania �rednicy półmartenzytycznej D50.


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).


Materiały metalowe


Rys. 5 Pasma hartowno�ci wybranych gatunków stali (A. P. Gulajew)


Materiały metalowe


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)

Metoda krzywych „U”


Materiały metalowe


Rys. 6 Rozkład twardo�ci wzdłu� �rednicy przekroju poprzecznego zahartowanych pr�tów oraz sposób wyznaczania �rednicy krytycznej D50


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.


Materiały metalowe


W metodzie tej idealn� �rednic� krytyczn� DIoblicza si� na podstawie iloczynu do�wiadczalnie wyznaczonych mno�ników w postaci:

��nIcI kkkDD ⋅⋅⋅⋅= ...21

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.


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.


Materiały metalowe


Współczynniki sumy w metodzie logarytmicznej ujmuj�ce wpływ w�gla i wyj�ciow� wielko�� ziarn.

Tablica 1

0,3640,3820,4000,4130,4150,4440,4580,471

0,4000,4190,4360,4520,4670,4810,4940,507

0,4350,4540,4700,4850,5000,5130,5260,539

0,4690,4890,5070,5230,5390,5510,5630,574

0,550,600,650,700,750,800,850,90

-0,0840,1460,1930,2300,2660,2960,3200,343

0,0290,1190,1790,2250,2670,3010,3290,3510,377

0,0620,1500,2100,2600,2990,3330,3620,3870,412

0,1010,1840,2470,2970,3370,3680,3980,4230,448

0,100,150,200,250,300,350,400,450,50

87658765

Wielko�� ziarn (nr wg PN)

Zawarto��w�gla %

Wielko�� ziarn (nr wg PN)Zawarto��w�gla %


Materiały metalowe


Tablica 2Współczynniki sumy w metodzie logarytmicznej ujmuj�ce wpływ pierwiastków stopowych

0,4910,5120,5310,5500,568

---------------

0,4000,4180,4360,4530,4690,4850,5000,5280,5550,5810,6050,6270,6500,670

------

0,0990,1050,1110,1170,1230,1290,1350,1460,1570,1680,1730,1900,2030,2150,2280,2430,2500,2620,2750,288

0,1730,1830,1930,2030,2120,2210,2300,2480,2650,2810,2970,3120,3260,3400,3540,3670,381

---

0,5230,5440,5640,5840,6020,6200,6370,6690,7020,7410,7800,8150,8480,8780,9080,9360,960

---

0,700,750,800,850,900,951,001,101,201,301,401,501,601,701,801,902,002,102,202,30

0,0130,0250,0490,0720,0940,1140,1340,1520,1700,1880,2040,2440,2790,3120,3420,3750,3980,4230,4470,470

0,0090,0180,0360,0530,0690,0850,1010,1150,1290,1430,1560,1870,2170,2440,2700,2950,3180,3400,3610,381

0,0020,0030,0060,0090,0120,0150,0190,0220,0240,0280,0300,0380,0450,0520,0590,0660,0730,0790,0860,092

0,0030,0060,0120,0180,0240,0290,0350,0410,0460,0520,0570,0700,0830,0950,1070,1190,1300,1410,1520,163

0,0140,0280,0540,0790,1300,1250,1460,1660,1860,2040,2220,2630,3010,3360,3680,3980,4260,4520,4770,501

0,010,020,040,060,080,100,120,140,160,180,200,250,300,350,400,450,500,550,600,65

MoCrNiSiMnMoCrNiSiMn

PierwiastekZawarto��%

PierwiastekZawarto��%


Materiały metalowe


Tablica 3Warto�� idealnej �rednicy krytycznej w zale�no�ci od sumy współczynników

859095100105110115120125130135140145150160

1,5251,5491,5731,5951,6161,6371,6561,6741,6921,7971,7251,7411,7561,7711,799

101520253035404550556065707580

0,5950,7710,8960,9931,0721,1391,1971,2481,2940,3360,3731,4081,4401,4701,498

DI idealna �rednica krytyczna mm

Suma współczynników

DI idealna �rednica krytyczna mm

Suma współczynników


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.


Materiały metalowe


Wpływ temperatury i czasu odpuszczania na twardo��stali w�glowej ujmuje parametr odpuszczania M – J.H. Hollomona i L.D. Jaffe’a:

gdzie:T – temperatura odpuszczania w skali bezwzgl�dnej, K,τ - czas odpuszczania, s,C – stała zale�na od st��enia w�gla.

)log( τ+⋅= CTM


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.


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.


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.


Materiały metalowe


Rys. 7 Korelacja granicy plastyczno�ci i twardo�ci stali konstrukcyjnych ulepszonych cieplnie (wg. E. Houdremonta)


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 propono-wanych 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.


Materiały metalowe


Rys. 8 Twardo�� stali odpuszczonej w temperaturze 500OC i 600OC w zale�no�ci od twardo�ci po hartowaniu


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)


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 - blog.scieramy.pl · 2018. 1. 16. · n gdzie: d i – idealna...

Documents