Upload
duongtruc
View
227
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
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