Akademia Morska w Szczecinie Instytut InŜynierii Transportu Zakład Techniki Transportu. Materiałoznawstwo i Nauka o materiałach

Transkrypt

1 Akademia Morska w Szczecinie Instytut InŜynierii Transportu Zakład Techniki Transportu Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów Materiałoznawstwo i Nauka o materiałach Wpływ róŝnych rodzajów obróbki cieplnej na strukturę i własności stopów metali Opracowała: mgr inŝ. Joanna Tuleja Zatwierdził: dr inŝ. Jarosław Chmiel Szczecin 2008

2 1. Wprowadzenie Struktura materiałów, w szczególności metalicznych wywiera znaczny wpływ na ich właściwości. Stosując procesy technologiczne zmieniające strukturę materiału, moŝna w pewnych granicach celowo kształtować jego właściwości. NaleŜy zwrócić uwagę na fakt, Ŝe wyraźną zaleŝność od struktury wykazują właściwości mechaniczne, elektryczne, magnetyczne i odporność na korozję, natomiast zaleŝność od struktury pozostałych właściwości np. cieplnych jest pomijalna. Najpopularniejszym sposobem kształtowania własności stopów metali jest obróbka cieplna. 2. Podstawowe pojęcia Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali i stopów moŝna wyróŝnić następujące rodzaje obróbki cieplnej: obróbka cieplna zwykła; obróbka cieplno chemiczna; obróbka cieplno - mechaniczna (cieplno - plastyczna). Wśród procesów obróbki cieplnej zwykłej wyróŝniamy: wyŝarzanie; hartowanie i odpuszczanie (ulepszanie cieplne); przesycanie i starzenie (utwardzanie wydzieleniowe). Obróbka cieplna są to zabiegi technologiczne umoŝliwiające dzięki grzaniu i chłodzeniu zmianę mikrostruktury, a przez to własności stopów (w pewnych przypadkach równieŝ metali): mechanicznych, fizycznych, technologicznych oraz chemicznych. Obróbka cieplna ma duŝe znaczenie ekonomiczne, często umoŝliwia stosowanie tańszych materiałów bez wpływu na jakość wyrobu. Częściami obróbki cieplnej są zabiegi, a najwaŝniejsze z nich są: nagrzewanie; wygrzewanie; chłodzenie. Obróbka cieplno - mechaniczna - polega na łącznym działaniu odkształcenia plastycznego oraz obróbki cieplnej, w efekcie uzyskuje się polepszenie własności mechanicznych o ok. 10% w porównaniu z konwencjonalną obróbką cieplną. Cechą charakterystyczną obróbki cieplno mechanicznej jest wzrost zarówno własności wytrzymałościowych jak i plastycznych. Obróbka cieplno - chemiczna jest proces technologiczny umoŝliwiający w czasie wygrzewania, połączonego z chemicznym oddziaływaniem środowiska, zmianę składu chemicznego i struktury w powierzchniowej warstwie stopu, a dzięki temu zmianę jej własności. W praktyce obróbka cieplno chemiczna polega na wzbogaceniu powierzchniowej warstwy stopu w określony pierwiastek, np. C, N, Al, Cr, Si lub grupę pierwiastków, np. C i N, N i S, N i O. Celem zabiegów jest nadanie warstwie powierzchniowej szczególnych własności fizycznych, głównie odporności na ścieranie, lub chemicznych, najczęściej odporności na utlenianie w wysokich temperaturach. WyŜarzanie - operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktur zbliŝonych do stanu równowagi. Ulepszanie cieplne obejmuje dwa zabiegi - hartowanie i odpuszczanie. Hartowanie

3 polega na austenityzowaniu stali w temperaturze i czasie potrzebnym do maksymalnego rozpuszczenia składników stopowych w austenicie, a następnie na chłodzeniu stali z szybkością większą od krytycznej, dla zapewnienia przemiany martenzytycznej. Hartowanie moŝe być prowadzone na wskroś lub tylko w warstwie powierzchniowej. Celem hartowania jest uzyskanie struktury martenzytycznej o duŝej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie, powodującej jednak znaczną kruchość i napręŝenia własne. Nadmierną kruchość oraz napręŝenia własne usuwa się stosując po hartowaniu odpuszczanie. Odpuszczanie - jest zabiegiem cieplnym stosowanym do przedmiotów uprzednio zahartowanych w celu usunięcia napręŝeń hartowniczych i polepszenia własności plastycznych. Podczas tego zabiegu zmniejsza się nieco twardość i wytrzymałość na rozciąganie, natomiast wzrasta odporność na uderzenia. Odpuszczanie polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanego przedmiotu do temperatury poniŝej 723 C, wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie powolnym chłodzeniu na powietrzu, w oleju lub wodzie. Odpuszczanie niskie - odbywa się w temperaturze C. Głównym celem takiego odpuszczania jest usunięcie napręŝeń własnych bez spadku twardości. Odpuszczanie niskie stosuje się do narzędzi, sprawdzianów oraz części nawęglonych wykonanych ze stali węglowych i niskostopowych oraz hartowanych powierzchniowo. Odpuszczanie średnie - odbywa się w temperaturze C. Ma ono na celu zachowanie wysokiej wytrzymałości i spręŝystości przy dostatecznie duŝej ciągliwoścł stali. W zakresie tych temperatur odpuszcza się wiele części samochodowych oraz matryce, spręŝyny, resory i inne części mechanizmów, których praca ma charakter uderzeniowy. Odpuszczanie wysokie - przebiega w temperaturze C. Celem takiego odpuszczania jest uzyskanie wysokiej wytrzymałości i spręŝystości materiału z jednoczesnym zachowaniem znacznej twardości i dostatecznej odporności na uderzenia. Odpuszczaniu wysokiemu poddaje się stale konstrukcyjne i narzędziowe do pracy na gorąco. W tym przypadku odpuszczanie prowadzi do rozkładu austenitu szczątkowego. Przesycanie polega na wygrzewaniu stopu w temperaturze zapewniającej przejście składników fazowych do roztworu stałego, tzn. w temperaturze wyŝszej od temperatury nasycenia roztworu, a następnie szybkim oziębieniu do temperatury otoczenia. Zabieg ma na celu zwiększenie plastyczności i obniŝenie twardości, dlatego stale przesycone łatwo poddają się obróbce plastycznej. Starzenie - polega na wydzielaniu składnika przesycającego z roztworu w postaci drobnodyspersyjnych wtrąceń, powodujących umocnienie stopu. Efektem zabiegu jest zwiększenie twardości i wytrzymałości stopu oraz zmniejszenie jego ciągliwości. Składniki strukturalne występujące w stopach poddanych hartowaniu Bainit jest składnikiem strukturalnym, jego struktura ta jest zróŝnicowana morfologicznie w zaleŝności od temperatury przemiany. Stanowi mieszaninę ferrytu i węglików, z tym, Ŝe powyŝej 300 C składa się z cementytu i przesyconego węglem ferrytu (zwana bainitem górnym, który ma wygląd pierzasty), natomiast poniŝej 300 C powstaje bainit dolny składający się z węglika 8 (Fe2,4C o zawartości 8,4%C) i ferrytu

4 przesyconego węglem). Ma on wygląd iglasty podobny do martenzytu i jest niewiele od niego miększy. Przemiana bainityczna ma charakter dyfuzyjny, przebiega w zakresie temperatur poniŝej 500 C, gdy siła napędowa przemiany jest duŝa, a współczynnik dyfuzji mały. Twardość i wytrzymałość bainitu są pośrednie między własnościami perlitu i martenzytu i rosną w miarę obniŝania temperatury przemiany. Martenzyt - jest to przesycony roztwór stały węgla w Ŝelazie a, który jest produktem przemiany bezdyfuzyjnej. Cechuje się duŝą twardością i małą ciągliwością. Twardość martenzytu rośnie ze wzrostem zawartości węgla. Martenzyt gruboiglasty Austenit szczątkowy -- ilość austenitu szczątkowego zaleŝy od zawartości węgla, pierwiastków stopowych i temperatury austenityzowania. Austenit szczątkowy obniŝa twardość zahartowanej stali, gdyŝ w przeciwieństwie do martenzytu jest miękki. Nie jest jednoznacznie szkodliwy, gdyŝ zwiększa odporność na ścieranie i powierzchniową wytrzymałość zmęczeniową oraz zmniejsza skłonność stali do kruchego pękania. Wadą jest zwiększenie skłonności do pęknięć szlifierskich (przy większej zawartości) oraz powodowanie niestabilności wymiarowej (np. sprawdzianów) i obniŝenie odporności korozyjnej. Hartowność - zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej. Z hartownością wiąŝą się następujące cechy: głębokość hartowania; maksymalna twardość uzyskiwana na powierzchni; skłonność do tworzenia rys i pęknięć. Dodatki pierwiastków stopowych mogą obniŝać lub podwyŝszać hartowność. Hartowność znacznie zwiększają: Mn, Mo i Cr, w niewielkim stopniu: Si i Ni natomiast zmniejsza Co oraz pierwiastki silnie węglikotwórcze.

5 3. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z wpływem róŝnych rodzajów obróbki cieplnej na strukturę i co za tym idzie na własności stopów metali. 4. Przebieg ćwiczenia Ćwiczenie polega na obserwacji struktur stopów metali, które poddane zostały róŝnym rodzajom obróbki cieplnej. 5. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać: ogólną definicję obróbki cieplnej oraz definicje podstawowych rodzajów obróbek cieplnych wraz z informacjami o ich wpływie na własności stopów metali; definicje: martenzyt, bainit, austenit szczątkowy; rysunki mikrostruktur stopów obrobionych cieplnie z dokładnymi opisami. 6. Wymagania Podstawowe pojęcia charakteryzujące obróbkę cieplną. Klasyfikacja obróbki cieplnej. Wpływ obróbki cieplnej na strukturę i własności stopów. 7. Literatura 1. Prowans St.: Materiałoznawstwo", PWN, Warszawa 1986 (str i ). 2. Blicharski M.: Wstęp do inŝynierii materiałowe/', WNT, Warszawa 2001 (str ). 3. Dobrzański L.A.: podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo", WNT, Warszawa 2002 (str ).