KRUCHOŚĆ ODPUSZCZANIA*

 

1. CEL ĆWICZENIA

 

Celem ćwiczenia jest poznanie zjawiska kruchości odpuszczania występującego w konstrukcyjnych stalach stopowych.

 

2. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE

 

Typową obróbką cieplną stali konstrukcyjnych stopowych o średniej zawartości węgla jest ulepszanie cieplne, składające się z hartowania z następnym, zwykle wysokim, odpuszczaniem. Z tego względu ta grupa stali nosi nazwę stali do ulepszania cieplnego i ujmuje je norma (PN-EN10083-2+A l: 1999). Odpuszczanie po hartowaniu ma na celu podwyższenie właściwości plastycznych i udarności do poziomu właściwego dla materiałów konstrukcyjnych, co uzyskuje się przez odpowiedni dobór temperatury odpuszczania. Chłodzenie po wygrzaniu przy temperaturze odpuszczania powinno być wolne (na powietrzu), aby uniknąć powstawania naprężeń. W czasie odpuszczania niektórych stali stopowych konstrukcyjnych, zwłaszcza chromowych, manganowych, chromowo-manganowych, chromowo-niklowych i chromowo-wanadowych zachodzą zjawiska powodujące kruchość materiału, co przejawia się spadkiem udarności.

W zależności od temperatury odpuszczania rozróżnia się dwa rodzaje kruchości (rys. 1):

Stopień rozwoju określonego rodzaju kruchości oraz zakresy występowania dla tej samej stali są zmienne. Uzależnione to jest od wielu czynników związanych ze składem chemicznym i strukturą badanej stali, metodami jej otrzymywania, technologią wyrobu części.

Na rys. 2 przedstawiono schemat procesów technologicznych obróbki cieplnej wywołujących kruchość odpuszczania.

 

2.1. Kruchość odpuszczania I rodzaju

 

Kruchość odpuszczania I rodzaju (rys. 1 i 2b) występuje prawie we wszystkich gatunkach stali niestopowych i stopowych, z wyjątkiem stali z podwyższoną zawartością krzemu. Ze względu na zakres temperatur, w których ona powstaje, tj. 250 ÷ 400 °C, zwana jest także kruchością „300”. Ponieważ nie można jej usunąć przez ponowne odpuszczanie, określa się ją jako nieodwracalną. Z uwagi na fakt, że stal nagrzana do tych temperatur zabarwia się na niebiesko, nazywa sieją również kruchością niebieskiego nalotu. Co do przyczyn powodujących kruchość I rodzaju były różne hipotezy, wiążące jaz zanikiem w martenzycie ciągliwej fazy, tj. austenitu szczątkowego, czy też wydzielaniem się podczas odpuszczania płytkowych węglików ε. Najczęściej uważa się, iż przyczyną tej kruchości jest szybszy rozpad martenzytu w sąsiedztwie granic ziarn i utworzenie się na nich niemal ciągłej (błonki) z węglika ε, co ułatwia przebieg pęknięcia. Z powyższych względów tego zakresu temperatur przy odpuszczaniu należy unikać. Nieodwracalną kruchość odpuszczania można zmniejszyć przez powtórne zahartowanie i odpuszczanie poniżej lub powyżej zakresu temperatur kruchości odpuszczania I rodzaju.

Ramka1

 

2.2 Kruchość odpuszczania II rodzaju

 

Kruchość tego rodzaju występuje, gdy po wysokim odpuszczaniu chłodzimy stal wolno, zwłaszcza w zakresie temperatur 450 ÷ 550 °C (rys. l i rys. 2a). Skłonność do tej kruchości wykazują stopowe stale konstrukcyjne: chromowe, chromowo-niklowe, manganowe oraz chromowo-wanadowe, zwłaszcza z podwyższoną zawartością fosforu.

Ramka2

 

Skłonność stali do odwracalnej kruchości zależy od składu chemicznego. Mangan, fosfor i śladowe domieszki, takie jak antymon, arsen itp., najsilniej zwiększają tę skłonność. Chrom działa podobnie, ale w mniejszym stopniu. Jeśli z chromem występuje mangan, krzem lub nikiel, to skłonność ta rośnie.

Przyczyny występowania odwracalnej kruchości odpuszczania nie są jeszcze do­kładnie poznane. Odwracalność tej kruchości i zależność od szybkości chłodzenia sugeruje, że przyczyną są wydzielenia jakichś faz (węglików, fosforków, arsenków itp.) na granicach ziarn. Fazy te wydzielają się podczas powolnego chłodzenia i rozpuszczają podczas grzania. Przypuszczenie takie potwierdza silniejsze wytrawianie się granic ziarn w stalach kruchych. Istnieją poglądy sugerujące, że podczas powolnego chłodzenia nie następuje wydzielanie się nowych faz, a tylko wzbogacenie stref przygranicznych w fosfor, antymon, arsen itp. Przyczyną jest zarówno malejąca z obniżeniem temperatury rozpuszczalność tych pierwiastków, jak i mniejsze zniekształcenie sieci krystalicznej w pobliżu granic ziarn przez pierwiastki węglikotwórcze (mangan, chrom). Są to pierwiastki o mniejszym powinowactwie z węglem, a granice ziarn ułatwiają zarodkowanie ich węglików podczas odpuszczania. Krótkie drogi dyfuzji są przyczyną zmniejszania się zawartości pierwiastków stopowych jedynie w strefach przygranicznych.

Odwracalnej kruchości odpuszczania można przeciwdziałać przez przyspieszone chłodzenie w tym niebezpiecznym zakresie temperatur. Dodatek do stali niewielkich ilości takich pierwiastków, jak molibden (powyżej 0,2%) lub wolfram przeciwdziała jej i stale zawierające te składniki nie są skłonne do kruchości, można je po wysokim odpuszczeniu chłodzić wolno. O ile tego rodzaju kruchość powstaje, to można ją usunąć przez ponowne wysokie odpuszczenie z następnym przyspieszonym chłodzeniem.

 

3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA

 

Próbki udarnościowe o wymiarach 10×10×60 [mm], typu Messnagera, wykonane ze stali stopowej konstrukcyjnej chromowej gatunku 38Cr4 (40 H) (PN-EN 10083-1+A1:1999) - 6 sztuk, trzy piece laboratoryjne komorowe typu PEM-2, twardościomierz Rockwella, młot Charpy'ego.

 

4. PRZEBIEG ĆWICZENIA

 

W ramach ćwiczenia należy:

K = f ( t ) oraz HRC = f ( t )

gdzie: t - temperatura.

 

5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA

 

Sprawozdanie powinno zawierać:

6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

  1. Dobrzański L. i in., Metaloznawstwo i obróbka cieplna materiałów narzędziowych, WNT, Warszawa 1990.

  2. Gulajew A. P., Metaloznawstwo, Wyd. Śląsk, Katowice 1970.

  3. Haimann R., Metaloznawstwo, Wyd. Polit. WrocŁ, Wrocław 1990.

  4. Poradnik Inżyniera, Obróbka cieplna stopów żelaza, WNT, Warszawa 1977.

  5. Rudnik S., Metaloznawstwo, PWN, Warszawa 1994.

  6. Polska Norma: PN-EN10083-1+A1:1999 Stale do ulepszania cieplnego.

*Opracowała: Anna Rutkowska