Metody umacniania metali

Obróbka cieplna polega na nagrzaniu wygrzaniu i ostudzeniu stali w celu wprowadzenia zmian strukturalnych skutkujących zmianą właściwości mechanicznych

Definicja

Nauka o materiałach

Temat 4

Schemat obróbki cieplnej

wg: L. Dobrzański

Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej

OBRÓBKA CIEPLNA ZWYKŁA

WYŻARZANIE ULEPSZANIE CIEPLNE

z przemianą alotropową

bez przemiany alotropowej

ujednorodniające

normalizujące i zupełne

sferoidyzujące

rekrystalizujące

odprężające

stabilizujące

hartowanie

odpuszczanie

UMACNIANIE WYDZIELENIOWE

starzenie

przesycanie

objętościowe

powierzchniowe

martenzytyczne

bainityczne

wg: L. Dobrzański

Rodzaje wyżarzania

wg M. Blicharski

KLASYFIKACJA ZABIEGÓW OBRÓBKI

CIEPLNEJ

Wyżarzanie

Wyżarzanie jest to zabieg obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu stali do

określonej temperatury, wytrzymaniu przy tej temperaturze i następnym

powolnym studzeniu.

Celem tego zabiegu jest przybliżenie stanu stopu do warunków równowagi.

Wyżarzanie ujednoradniające

Cel wyżarzania: Zmniejszenie niejednorodności składu chemicznego.

Stosowane głównie dla wlewków.

Sposób wykonania: Nagrzanie stali do temperatury 1050¸1250oC, (ok. 100-200oC poniżej

temperatury początku nadtopień, czyli linii solidus), wygrzanie i następne studzenie.

Wyżarzanie ujednoradniające

Przekrój wlewka

1- strefa kryształów zamrożonych

1 – strefa kryształów słupkowych

3- strefa kryształów wolnych

4- jama skurczowa

Normalizacja

Wyżarzanie normalizujące

Cel wyżarzania: Uzyskanie struktury zgodnej z warunkami równowagi

Wykonuje się w celu:

Zmniejszenia wielkości ziarna

Uzyskania jednakowej struktury w odlewach i spoinach

Usunięcia skutków wcześniejszych obróbek cieplnych

Stosowane głównie dla stali podeutektoidalnych.

Sposób wykonania: Nagrzanie stali do temperatury 30-50oC, powyżej linii

austenityzacji, wygrzanie i studzenie w spokojnym powietrzu.

Dla stali nadeutektoidalnych stosuje się czasami tzw. normalizowanie

zupełne

NORMALIZACJA

Schemat zmian wielkości ziarna stali w wyniku nagrzewania do temperatury wyższej od Ac1 i następnego chłodzenia

Schemat rozrostu ziaren austenitu utworzonego podczas nagrzewania stali eutektoidalnej

wg: L. Dobrzański

NORMALIZACJA

Normalizacja

Zmiana wielkości ziarna

Sferoidyzacja

Wyżarzanie sferoidyzujące

Cel wyżarzania: Zmniejszenie twardości wskutek zmiany kształtu

wydzieleń cementytu na sferoidalny.

Wykonuje się przed obróbką plastyczną

Wyżarzanie to nazywane jest również wyżarzaniem zmiękczającym.

Sposób wykonania: Nagrzanie stali do temperatury zbliżonej do 727oC,

wygrzanie i następne bardzo wolne chłodzenie do 600oC.

Dalsze studzenie może być dowolne. Wygrzewanie może również być

wykonane wahadłowo wokół temperatury 727 oC, (ok. ±20oC).

Procesy sferoidyzacji

temperatura

temperatura Czas h

Czas h

727

727

24

24 12 48

SFEROIDYT

Właściwości stali po sferoidyzacji

Wpływ cementytu płytkowego w perlicie i cementytu kuleczkowego w sferoidycie na twardość (a) i udarność (b) stali. Zawartości cementytu i perlitu podane są w procentach objętościowych

wg M. Blicharski

Wyżarzanie poniżej 727 oC

REKRYSTALIZACJA

Wyżarzanie rekrystalizujące

Cel wyżarzania: Stosowane dla stali odkształconej plastycznie na

zimno, celem spowodowania rekrystalizacji.

Wykonuje się po lub pomiędzy etapami obróbki plastycznej

Sposób wykonania: Nagrzanie stali do temperatury wyższej od

temperatury rekrystalizacji; 600oC wygrzanie i następne chłodzenie

z dowolną szybkością.

Deformacja plastyczna

WŁAŚCIWOŚCI METALU PO ZGNIOCIE

Zmiany właściwości metalu w funkcji temperatury wyżarzania po odkształceniu plastycznym: 1 –naprężenia, 2 –wielkość ziarna, 3 –wytrzymałość na rozciąganie, 4 –wydłużenie

wg M. Blicharski

Rekrystalizacja

MIEDŹ

REKRYSTALIZACJA

Wyznaczanie temperatury rekrystalizacji

Twardość

Temperatura °C

Właściwa temperatura rekrystalizacji

Tr

Tr

ZGNIOT KRYTYCZNY

Zgniot krytyczny –

przeważnie w przedziale 2-12%, powoduje po rekrystalizacji szczególnie gruboziarnistą strukturę. Z tego powodu projektując obróbkę plastyczną wyrobów, które będą podlegać rekrystalizacji, należy unikać odkształcenia krytycznego. Przyczyną silnego rozrostu ziarna jest mała ilość zarodków rekrystalizacji. Po gniocie mniejszym od krytycznego rekrystalizacja nie zachodzi, ponieważ odkształcenie było zbyt małe do wytworzenia zarodków rekrystalizacji

Wpływ stopnia zgniotu na wielkość ziarn aluminium po wyżarzaniu rekrystalizującym Al 99,5%; temperatura - 550ºC; czas wygrzewania - 1h

ZGNIOT

Wpływ stopnia zgniotu i temperatury rekrystalizacji na wielkość ziaren żelaza

Wyżarzanie odprężające

300 oC 500 oC 200 oC

Wyżarzanie odprężające i stabilizujące

Cel wyżarzania: Usunięcie naprężeń; odlewniczych, spawalniczych,

cieplnych oraz spowodowanych przeróbką plastyczną na zimno.

Nie wiąże się ze zmianami struktury stali.

Sposób wykonania: Nagrzanie stali do temperatury niższej od Ac1 –

150-500 oC , wygrzanie i następne powolne studzenie.

ULEPSZANIE CIEPLNE

HARTOWANIE + ODPUSZCZANIE

2. AUSTENIT-PERLIT

3. AUSTENIT-BAINIT

4. AUSTENIT-MARTENZYT

CHŁODZENIE

NAGRZEWANIE

1. PERLIT-AUSTENIT

PODSTAWOWE PRZEMIANY W STALI

Perlit Bainit Martenzyt

Tem

peratu

ra °

C

Czas

Austenit

Perlit

1

2 3

4

Przemiana AUSTENIT-PERLIT

Przemiana PERLIT- AUSTENIT

PRZEMIANY RÓWNOWAGOWE - WYŻARZANIE

wg M. Blicharski

Przemiana AUSTENIT-BAINIT

wg M. Blicharski

Przemiana AUSTENIT-MARTENZYT

wg M. Blicharski

Bainit

Ferryt i perlit

Austenit

Martenzyt

Austenit

Zależność między siecią regularną ściennie centrowaną austenitu a siecią tetragonalną przestrzennie centrowaną martenzytu

Sieciowa komórka elementarna martenzytu

wg: L. Dobrzański

PRZEKSZTAŁCENIE BAINA

Relief powierzchni powstający w wyniku przemiany martenzytycznej

Schemat udziału ścinania w przemianie martenzytycznej: a) przez poślizg, b) przez bliźniakowanie

wg: L. Dobrzański

PRZEMIANY PRZY PRZECHŁODZENIU

EKSPERYMENT CTPI

Tem

peratu

ra

log czas

Austenit

Perlit

Początek

rozpadu

austenitu

Koniec

rozpadu

austenitu

Konstrukcja wykresów CTPi Czas

Temperatura

Przemiana war. izotermiczne

CTP- to wykresy obrazujące proces ochładzania próbek stali przy kilku różnych przechłodzeniach i

rejestrowanie punktów początkowego i końcowego rozpadu austenitu (przykładowo przy pomocy metody

dylatacyjnej polegającej na precyzyjnym pomiarze długości próbki)

Otrzymany zbiór punktów podczas tak przeprowadzonego procesu dla jego początku i końca nanosi się na

wykres, którego nazwa to CTPi (izotermiczny).

Następnie chłodzi się próbki do temperatury otoczenia i mierzy twardość, którą także umieszcza się na

wykresie CTPi

wg M. Blicharski

RZECZYWISTE WYKRESY CTPc

Wykres CTPc stali eutektoidalnej

Stal węglowa gat. 45, C45

13. Jaką przemianę i jaki rodzaj obróbki cieplnej przedstawia wybrana krzywa (jedna z 8) na wykresie CTP

Przemiana Rodzaj obróbki cieplnej

Austenit→Martenzyt Normalizacja

Austenit→Bainit Hartowanie bainityczne

Austenit→Ferryt+Bainit Hartowanie zwykle

Austenit→Perlit+Ferryt Patentowanie

Austenit→Martenzyt

izotermiczna

Rozpad austenitu na ferryt i bainit

Austenit→Nanobainit Wyżarzanie nanobainityczne

Austenit→Perlit drobny Izotermiczny rozpad austenitu na

ferryt i perlit

Austenit→Perlit gruby Hartowanie stopniowe

TEST EGZAMIN zag. 13

Wpływ węgla dodatków stopowych na Vk

Vk

1600

800

400

200

100

0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

%C

Zawartość dodatków stopowych Zawartość węgla

1200

1000

800

600

400

200

100

50

0 Mn

Vk

0 1 2 3 4 5 6 %

Co

V

Cr,W,Ni

STAL C20 C50 40Cr4

Skład: 0,2%C 0,5%C 0,4%C+1%Cr+0,7%Mn

Temp. hart. 800 800 800

Vk 1600ºC/s 400ºC/s 50ºC/s

Czas chłodzenia 0,5s 2s 16s

Średnica krytyczna D50

Gatunek stali D50 woda D50 olej

PN PN-EN mm mm

35 C35 10 3

45 C45 15 5

35SG 38Si7 40 30

40H 41Cr4 60 40

45HN 42CrMo4-3 75 45

35HGS 35CrSi6-4 120 90

30HN2MFA 30NiCrMoV8-4-3-2 195 165

30H2N2M 30CrNiMo8-8-3 290 265

TEMPERATURA HARTOWANIA

wg M. Blicharski

OŚRODKI CHŁODZĄCE

Zdolność chłodząca a-wody spokojnej, b - wody z cyrkulacją, c – 15% wodnego roztworu NaCl, d – oleju hartowniczego OH 70 świeżego, e - oleju hartowniczego OH 70 zużytego, f – emulsji wodno-olejowej zawierającej 10% oleju.

wg: L. Dobrzański

AUSTENIT SZCZĄTKOWY

Austenit szczątkowy

wg: L. Dobrzański

WPŁYW ZAWARTOŚCI WĘGLA NA MS I MF

TWARDOŚĆ STALI PO ZAHARTOWANIU

a - twardość martenzytu, b – twardość stali zahartowanej z temp od 30-50 °C powyżej aystenityzacji, c – powyżej temp Acm

SPOSOBY HARTOWANIA

A. Hartowanie ciągłe B. Hartowanie stopniowe C. Hartowanie bainityczne ( struktura nanobainityczna)

WPŁYW PIERWIASTKÓW STOPOWYCH NA KSZTAŁT

KRZYWYCH CTP

PATENTOWANIE DRUTU

PATENTOWANIE

Obróbka cieplna PATENTOWANIE, polegające na przelotowym nagrzaniu drutu do temperatury 880 –950 C, a następnie chłodzeniu w ołowiu w temperaturze 480 –520 C. Obróbka plastyczna polega na ciągnieniu drutu, w wyniku którego powstaje zgniot powodujący wzrost wytrzymałości na rozciąganie. Cynkowanie drutu ma na celu jego ochronę przed korozją.

400

500

ODPUSZCZANIE

ODPUSZCZANIE WYSOKIE w temperaturze w zakresie 500°C ÷ Ac1, które ma na celu uzyskanie bardzo wysokiej udarności przy możliwie jeszcze dobrej wytrzymałości.

ODPUSZCZANIE ŚREDNIE w temperaturze w zakresie 300 ÷ 500°C, które ma na celu uzyskanie wysokiej sprężystości przy dostatecznej udarności oraz utrzymanie wysokiej wytrzymałości

ODPUSZCZANIE NISKIE w temperaturze w zakresie 150 ÷ 300°C, które ma na celu usunięcie, a przynajmniej zmniejszenie naprężeń hartowniczych przy nieznacznym polepszeniu plastyczności z jednoczesnym zachowaniem wysokiej twardości i wytrzymałości

ODPUSZCZANIE

WŁAŚCIWOŚCI STALI PO ODPUSZCZANIU

Sorbit Martenzyt

Temperatura odpuszczania

100 200 300 400 500 600

70

60

50

40

30

20

10

0,8%C 0,5%C 0,3%C

HRC

TWARDOŚĆ PO ODPUSZCZANIU

wg: L. Dobrzański

BADANIE HARTOWNOŚCI STALI

1 - zbiornik z wodą, 2 - wanna, 3 - zawór, 4 - dysza wodna, 5 - przesłona, 6 - uchwyt próbki, 7 - próbka

TEST EGZAMIN zag. 11

• wyżarzanie normalizujące

• wyżarzanie sferoidyzujące

• wyżarzanie rekrystalizujące

• wyżarzanie ujednoradniające

• hartowanie

• odpuszczanie wysokie

• patentowanie

• przesycanie

• starzenie

• odprężanie lub stabilizowanie

• modyfikacja struktury odlewu

• przeróbka plastyczna

• odlewanie

Wzrost twardości

Zmniejszenie wielkości ziarna

Wydzielenie faz wtórnych

Zwiększenie naprężeń wewnętrznych

Zmniejszenie twardości

Wydzielenie faz o kształcie kulistym

Przemiana sieci krystalograficznej

Zmiana kształtu ziaren

Zwiększenie plastyczności

Zwiększenie udarności

Wydzielenie drobnych płytek cementytu

Rozdrobnienie ziaren

Zmniejszenie naprężeń wewnętrznych

Wyrównanie składu chemicznego

11. Jaki wpływ na właściwości stopu wywołuje następujący proces obróbki cieplnej

PRĘT

Umacnianie wydzieleniowe

• Przesycanie • Starzenie

Fragment typowego wykresu równowagi stopów Al z zaznaczeniem

zakresów stężenia stopów do obróbki plastycznej, umacnianych

zgniotem i utwardzanych wydzieleniowo, oraz stopów odlewniczych

Układ równowagi Al.-Cu

Na rysunku przedstawiono fragment wykresu równowagi Al–Cu od strony aluminium. Od strony Al występuje roztwór stały ω o ograniczonej rozpuszczalności – 5,65% Cu w temperaturze eutektycznej 548°C, zmniejszającej się poniżej 0,5% Cu wraz z obniżeniem temperatury do pokojowej. Eutektyka występuje przy stężeniu 33% Cu i jest złożona z roztworu stałego granicznego ω oraz fazy międzymetalicznej CuAl2 (Θ). Charakter linii solidus – o zmiennej rozpuszczalności Cu w roztworze ω – umożliwia zastosowanie obróbki cieplnej stopów Al–Cu polegającej na przesycaniu i starzeniu.

Orientacyjne zakresy stężenia pierwiastków stopowych w stopach

aluminium z miedzią

Przesycanie i starzenie stopów aluminium

Umacnianie wydzieleniowe Odkryte w 1938 r. przez A.Guiniera i G.D.Prestona

Umacnianie wydzieleniowe

Schemat różnych stadiów starzenia stopu Al–Cu: a) faza ω(αAl), b) strefa GP, c) faza przejściowa Θ′′, d) faza równowagowa Θ(CuAl2) (według E. Guiniera i G.D. Prestona)

Wpływ temperatury i czasu starzenia na twardość stopu Al

z dodatkiem 4% Cu (według A.P. Gulajewa)

Oddziaływanie omijające – mechanizm Orowana

Koherętne granice międzyfazowe

Umocnienie wydzieleniowe – przez małe odkształcalne cząstki koherentne (i półkoherentne) powstałe w wyniku starzenia przesyconych roztworów stałych – słabe przeszkody dla ruchu dyslokacji

Oddziaływanie dyslokacji z wydzieleniami

podczas starzenia stopu Al-Cu

Granica plastyczności stopów Al umacnianych

wydzieleniowo

Stop

Oznaczenie wg ANSI

Skład chemiczny

[% wagowe]

Re [MPa]

Wolne chłodzenie Przesycanie i starzenie

2000 Al + 4Cu + Mg, Si, Mn 130 465

6000 Al. + 0,5Mg, 0,5Si 85 210

7000 Al. + 6Zn + Mg, Cu 300 570

PN-79/H-88026 ASTM SKŁAD CHEMICZNY

Gatunek Oznaczenie Si Cu Mg Mn Zn Ti Inne

AlCu4MgSi PA6N 2014 0,5 4,4 0,4 0,8 - - -

AlCu4Mg1 PA7N 2024 0,3 4,5 1,5 0,6 - 0,1 -

AlMn1 PA1N 3003 0,3 0,2 - 1,2 - - -

AlMg3 PA11N 5052 0,3 - 2,5 - - - 0,3%Cr

AlMg1SiCu PA10N 6061 0,6 0,25 1,0 - - - 0,2%Cr

AlZn6Mg2Cu2 PA9 7075 - 1,6 2,5 0,2 5,6 - 0,15%Cr

Zjawisko nawrotu

Schemat zmiany wytrzymałości Rm stopu Al-4%Cu na skutek starzenia i nawrotu wywołanej krótkotrwałym nagrzewaniem do temperatury 230C

Wyżarzanie stopów aluminium

Stopy aluminium można poddawać następującym rodzajom wyżarzania:

• wyżarzaniu ujednorodniającemu,,

Wyżarzanie ujednorodniające przeprowadza się głównie w celu ujednorodnienia struktury, zwłaszcza odlewów. Polega ono na nagrzaniu stopu do temperatury, w której ma on strukturę roztworu stałego, wygrzaniu w tej temperaturze przez dłuższy okres czasu (2 ÷ 12 godzin) i następnie powolnym chłodzeniu.

• wyżarzaniu zmiękczającemu Wyżarzanie zmiękczające ma na celu zmniejszenie twardości i polepszenie plastyczności stopu poprzez koagulację wydzielonych faz. Przeprowadza się je w zakresie temperatur leżących poniżej krzywej granicznej rozpuszczalności. W praktyce stopy aluminium w zależności od składu wyżarza się w temperaturze 320 ÷ 400°C przez 2 ÷ 3 godziny. Stopy wyżarzone zmiękczająco mają niższą twardość i wytrzymałość niż stopy przesycone. Wysoka plastyczność stopów uzyskana w wyniku wyżarzania ułatwia ich walcowanie, kucie i inne rodzaje przeróbki plastycznej na zimno.

• wyżarzaniu rekrystalizującemu Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się w celu usunięcia niektórych skutków zgniotu zwykle w temperaturze nieco wyższej od temperatury rekrystalizacji (300 ÷ 400°C). Wyżarzanie to przeprowadza się jako zabieg międzyoperacyjny w czasie obróbki plastycznej na zimno lub jako zabieg końcowy, należy jednak pamiętać, że w niektórych przypadkach może ono spowodować nadmierny rozrost ziaren, np. gdy nastąpił zgniot krytyczny lub gdy temperatura wyżarzania była zbyt wysoka, względnie gdy czas wyżarzania był zbyt długi.

• wyżarzaniu odprężającemu. Wyżarzanie odprężające ma na celu usunięcie naprężeń własnych, zwłaszcza w odlewach kokilowych. Temperatura wyżarzania wynosi, zależnie od gatunku stopu, 200 ÷ 300°C. Po wyżarzaniu stosowane jest powolne chłodzenie.

TEST EGZAMIN zag. 12

• wyżarzanie normalizujące

• wyżarzanie sferoidyzujące

• wyżarzanie rekrystalizujące

• wyżarzanie ujednoradniające

• przeróbka plastyczna

• odlewanie kokilowe

• hartowanie

• odpuszczanie

• patentowanie

• przesycanie

• starzenie

• odprężanie lub stabilizowanie

• modyfikacja struktury żeliwa

12. Jak nazywa się struktura uzyskana po następującej obróbce

Nazwa struktury zaznacz

Martenzyt

Ferryt i perlit

Sferoidyt

Bainit

Wydzielenia grafitu

Perlit drobny

Perlit drobnoziarnisty

Wydzielenia Guiniera-Prestona

Roztwór stały przesycony

Sorbit

Perlit gruboziarnisty

Tekstura zgniotu

Struktura dendrytyczna

Struktura zbliźniaczona

Likwacja strefowa

WPŁYW DODATKÓW STOPOWYCH

wg: L. Dobrzański

wg M. Blicharski

Rola dodatków stopowych

Pierwiastki przejściowe cechujące się dużym powinowactwem chemicznym do węgla, szczególnie Cr, W, Mo, V, Ti, Nb oraz Fe, tworzą w stalach fazy międzywęzłowe: węgliki o strukturach złożonych, tj. M3C, M23C6, M7C3, M6C, oraz węgliki o strukturach prostych MC i M2C (gdzie M – oznacza jeden lub kilka pierwiastków – metali przejściowych

Zestawienie składów chemicznych niektórych węglików prostych i izomorficznych z nimi węglików występujących w stalach szybkotnących

wg: L. Dobrzański

Wpływ pierwiastków stopowych na własności stali i stopów żelaza

Schemat wpływu pierwiastków stopowych a) austenitotwórczych, b) ferrytotwórczych, c) sprzyjających przemianie eutektoidalnej – na charakter wykresów równowagi żelaza z tymi pierwiastkami

Wpływ dodatków stopowych na twardość odpuszczania

Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość stali szybkotnących

wg: L. Dobrzański

WYKRESY CTPI - CTPC

wg M. Blicharski

WYKRES CTPI DLA STALI PODEUTEKTOIDALNEJ

wg: L. Dobrzański