Badanie hartowności stali*

 

1. CEL ĆWICZENIA

 

Celem ćwiczenia jest zbadanie hartowności stali niestopowej i stopowej metodą chłodzenia od czoła (tzw. próba Jominy'ego)

 

2. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE

 

2.1. Hartowanie stali

 

Pojęciem hartowania stali określa się skłonność do tworzenia struktury martenzytycznej, przy czym za strefę zahartowaną przyjmuje się strefę zawierającą co najmniej 50% martenzytu. Twardość strefy o strukturze zawierającej 50% martenzytu, tj. tak zwanej strefy półmartenzytycznej, nosi nazwę twardości krytycznej.

Hartowność łączy się ściśle z szybkością chłodzenia stali od temperatury austenityzacji. Strukturę martenzytyczną uzyskuje się przy szybkości chłodzenia większych lub równych szybkości krytycznej, tj. najmniejszej szybkości warunkującej tworzenie tylko struktury martenzytycznej. Na rys. 1 przedstawiono schematycznie zmianę szybkości chłodzenia na przekroju cylindrycznej próbki stalowej i związaną z tym grubość strefy zahartowanej. Rozważając hartowność jako pewną „wrodzoną” zdolność stali do wytwarzania przy hartowaniu struktury martenzytycznej można sprecyzować trzy podstawowe czynniki mające wpływ na tę hartowność:

Węgiel i wszystkie pierwiastki stopowe, z wyjątkiem Co, pod warunkiem że są rozpuszczalne w austenicie, zwiększają hartowność stali (przesuwając linie wykresu CTP w prawo). Przez dodatek tzw. intensyfikatorów, np. boru, tytanu, cyrkonu można dodatkowo wpływać na zwiększenie hartowności. największy efekt daje odpowiednie wprowadzenie boru, który już przy przy zawartości 0,002% zwiększa głębokość hartowania 1,5÷5 razy.

Ramka1

 

Im większa jednorodność austenitu, tym większa hartowność stali, ponieważ brak jest dodatkowych zarodków przyspieszających jego rozkład w zakresie przemian perlitycznych. Niejednorodność austenitu może być spowodowana obecnością wtrąceń niemetalicznych (tlenków, azotków itp.) lub węglików. Może być ona wywołana również brakiem wyrównania składu chemicznego w objętości ziarn austenitu. Im większe ziarna austenitu, tym większa hartowność. Wynika to z faktu zmniejszenia się ilości uprzywilejowanych miejsc zarodkowania „struktur dyfuzyjnych”, którymi są między innymi granice ziarn. Struktura gruboziarnista ma najmniejszą sumaryczną powierzchnię ziarn w stosunku do struktury drobnoziarnistej i stąd im grubsze ziarna austenitu, tym bardziej linie wykresu CTP przesunięte są w prawo. Oprócz omówionych czynników na grubość warstwy zahartowanej mają wpływ warunki realizowania obróbki cieplnej, temperatury nagrzewania, sposobu grzania, rodzaju ośrodka chłodzącego (szybkość chłodzenia) oraz wielkość przedmiotu i stan jego powierzchni. Przy ocenie hartowności stali wprowadzono pojęcie średnicy krytycznej (Dk). Średnica krytyczna jest średnicą największego przekroju próbki stalowej hartującej się na wskroś w danym ośrodku chłodzącym. Wielkość średnicy krytycznej dla danego gatunku stali wiąże się z rodzajem ośrodka chłodzącego (powietrze, olej, woda). Aby wyłączyć wpływ sposobu chłodzenia na hartowność, wprowadzono pojęcie idealnej średnicy krytycznej (). Jest to średnica największego przekroju hartującego się na wskroś w idealnej kąpieli hartowniczej, odbierającej ciepło z nieskończenie dużą szybkością. Oddawanie ciepła przez element hartowny uzależnione jest w tym przypadku od jego przewodności cieplnej.

 

2.2. Metody badania hartowność

 

Istnieją zasadnicze metody badania hartowności:

Obserwacja przełomu jest metodą warsztatową badania hartowności. Przy przełamaniu zahartowanego pręta część zahartowana ma przełom jedwabisty, matowy, natomiast część nie zahartowana jest błyszcząca. Metodę tę stosuje się do badania stali narzędziowych.

Metoda krzywych U polega na pomiarze twardości na przekroju zahartowanej próbki o kształcie walca. Próbka musi mieć wystarczającą długość, aby można było pominąć wpływ chłodzenia od powierzchni czołowych. Po zahartowaniu próbki i wycięciu z jej części środkowej krążka, mierzy się twardości (HRC) na przekroju poprzecznym wzdłuż średnicy w dwóch prostopadłych kierunkach. Na wykresie rozkład twardości na przekroju próbki nie zahartowanej na wskroś przypomina liter U, jak to przedstawia rys. 2. Znając wartość twardości krytycznej dla danego gatunku stali można rozgraniczyć strefę zahartowaną od nie zahartowanej i określić grubość strefy zahartowanej.

Ramka2

 

2.3. Badanie hartowności metodą chłodzenia od czoła

 

Badanie hartowności metodą od czoła, czyli próbą Jominy'ego, przeprowadza się opierając się na normie PN-79/H-04402. Metodę tę stosuje się celem określenia hartowności stali konstrukcyjnych, węglowych i stopowych nie hartujących się w powietrzu. Badanie przeprowadza się na próbce znormalizowanej o wymiarach podanych na rys. 3.

Ramka3

 

Próbkę wykonaną z badanego gatunku stali wkładamy do pieca elektrycznego nagrzanego do temperatury Ac3÷Ac1+(30÷50 ºC). Dla stali węglowej temperaturę Ac3 ustalamy z układu równowagi Fe-Fe3C. Aby w czasie nagrzewania zabezpieczyć próbkę przed odwęgleniem, wkładamy ją do metalowego pudełka i obsypujemy opiłkami żeliwa. Głowa próbki powinna nieco wystawać z opiłek. W stalach niskowęglowych nie zauważono wyraźnych skutków odwęglenia i dlatego wyżej opisane zabezpieczenie jest czasem pomijane. Wygrzewanie próbki w piecu elektrycznym powinno trwać około 45 minut. Po upływie tego czasu należy chwycić kleszczami główkę próbki, wyjąć z pieca i wstawić do uchwytu aparatu Jominy'ego. Schemat aparatu Jominy'ego przedstawiono na rys. 4.

Ramka4

 

Po wstawieniu próbki do uchwytu aparatu i odsunięciu przesłony dyszy wodnej czoło próbki jest intensywnie chłodzone wodą. Czas zużyty na wyjęcie próbki z pieca i wstawienie do aparatu nie powinien przekraczać 5 sekund. Próbki należy chłodzić co najmniej 10 minut. Po ostygnięciu próbki szlifujemy wzdłuż dwu przeciwległych tworzących, zdejmując z każdej strony warstwę około 0,4 mm. W czasie szlifowania należy próbkę intensywnie chłodzić. Na oszlifowanych powierzchniach wykonujemy pomiary twardości aparatem Rockwella (HRC), na długości 20÷50 mm w odległościach co 2 mm od czoła próbki. Przedstawiwszy graficznie otrzymywane wyniki stwierdzamy, że w miarę zwiększania się odległości od czoła następuje łagodne zmniejszenie się twardości stali hartującej się głęboko (stal stopowa) oraz wyraźny spadek twardości stali płytko hartującej się (stal węglowa), jak to podano przykładowo na rys. 3

Celem wyznaczenia odległości od czoła, na której próbka uległa zahartowaniu (osiągnęła twardość krytyczną Hk), należy wpierw z wykresu przedstawionego na rys. 5 odczytać twardość krytyczną dla danego gatunku stali. Opieramy to na praktycznym założeniu, że twardość martenzytu (a także strefy półmartenzytycznej) zależy od zawartości węgla. Znając twardość krytyczną badanej stali wyznaczamy z rys. 6 odległość krytyczną lk w mm. Dla określenia średnicy krytycznej badanej stali przy hartowaniu w wodzie o temperaturze 10÷25 ºC i w oleju o temperaturze 15÷70 ºC można posłużyć się wykresem przedstawionym na rys. 6.

Ramka5

 

Z próby Jominy'ego można więc odczytać:

Ramka6

 

Krzywe hartowności otrzymane z próby Jominy'ego mogą się trochę różnić dla poszczególnych wytopów stali tego samego gatunku, a nawet dla próbek pochodzących z różnych części wlewka. Wynika to z dopuszczalnych wahań składu chemicznego, jednakowej wielkości ziarna i innych czynników. Na podstawie masowych badań różnych części wlewków otrzymuje się wiele punktów, które wykazują pewien rozrzut twardości. Jeżeli punkty te ograniczyć obustronnie liniami, to powstanie tak zwane pasmo hartowności danej stali, określające możliwe wahanie hartowności stali danego gatunku. Na rys. 7 przedstawiono pasmo hartowności dla wybranych stali.

Ramka7

 

3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA

 

Dwie próbki do badań hartowności (rys. 3): ze stali niestopowej 40 i stali stopowej 40H, piec elektryczny, urządzenie do badania hartowności (rys. 4), twardościomierz typu Rockwella.

 

4. PRZEBIEG ĆWICZENIA

 

Ćwiczenie polega na określeniu hartowności metodą chłodzenia czołowego stali 40 i 40H wg zasad przedstawionych w punkcie 2.3. Po zahartowaniu próbki i odpowiednim przeszlifowaniu ich pobocznic należy przeprowadzić pomiar twardościomierzem Rockwella (HRC). Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów należy narysować krzywe hartowności oraz określić odległości krytyczne, a następnie średnice obu gatunków stali przy chłodzeniu w wodzie i oleju.

 

5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA

 

Sprawozdanie winno zawierać:

6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

  1. Dobrzański L.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali; Wyd. Polit. Śl.; Gliwice; 1993

  2. Gulajew A.: Metaloznawstwo; Wyd. Śląskie; Katowice; 1967

  3. Polskie Normy; PN-79/H-04402; Metody badania hartowności stali. Metoda hartowania od czoła

  4. Rudnik S.: Metaloznawstwo; PWN 1986

  5. Staub F.: Metaloznawstwo; Śl. Wyd. Techn.; Katowice; 1994

  6. Wesołowski K.: Metaloznawstwo; t. 2; WNT; Warszawa; 1969

*Opracował: Stanisław Rudnik