Jakościową ocenę hartowności stali umożliwiają wykresy CTPc. Głębo-kość warstwy zahartowanej zależy bowiem od krytycznej szybkości chłodzenia.
Stale o dużej krytycznej szybkości chłodzenia cechuje mała hartowność i odwrotnie (rys. 8.1). Ilościowa ocena hartowności wymaga wprowadzenia pojęć: średnicy krytycznej, współczynnika intensywności chłodzenia oraz twardości krytycznej.
Średnica krytyczna - jest to średnica pręta, przy której po zahartowaniu w ośrodku o określonej zdolności chłodzącej uzyskuje się w osiowej części przekroju strukturę o określonej zawartości martenzytu, lecz nie mniejszej
Rys. 8.1. Schematyczne przedstawienie wykresów CTPc dla stali o: a) małej hartowności, b) dużej hartowności
niż 50%. Średnicę krytyczną w znaczeniu ogólnym określa się DK, zaś w odniesieniu do konkretnie przyjętej zawartości martenzytu w rdzeniu symbolem D z indeksem określającym tę zawartość (np. D5 0, D90).
Średnica krytyczna zależy od szybkości chłodzenia, dlatego dla ujed-nolicenia wyników wprowadzono współczynnik intensywności chłodzenia H.
Współczynnik Η określa zdolność ośrodka oziębiającego do odbierania ciepła.
Jego wartość może zmieniać się od zera do nieskończoności. Η = 0 odpowiada idealnemu izolatorowi ciepła, Η = ∞ odpowiada idealnemu ośrodkowi chło-dzącemu, to znaczy takiemu, w którym powierzchnia przedmiotu ostygałaby natychmiast do temperatury ośrodka. Najczęściej przyjmuje się, że dla wody Η = 1,5 a dla oleju Η = 0,3, przy względnym ruchu przedmiotu i cieczy.
Intensywności chłodzenia Η = ∞ odpowiada idealna średnica krytyczna, którą oznacza się D0. Stanowi ona bezwzględną (niezależną od intensywności chłodzenia) miarę hartowności stali. Dla rzeczywistych średnic krytycznych (D5 0, D90) należy podawać współczynnik H, dla którego zostały one wy-znaczone, a dla idealnych średnic krytycznych D0 - zawartość martenzytu w środku ich przekroju. Najczęściej do oceny hartowności używane są średnice krytyczne półmartenzytyczne, ponieważ dla większości zastosowań praktycz-nych zawartość 50% martenzytu w środku przekroju jest wystarczająca.
Twardość krytyczna - jest to twardość, która odpowiada strukturze półmartenzytycznej, tzn. składającej się w 50% z martenzytu i w 50% z innych składników strukturalnych, takich jak bainit, ferryt, perlit. Znając twardość krytyczną danej stali można za pomocą próby twardości wyznaczyć głębokość warstwy zahartowanej.
Ilościową ocenę hartowności przeprowadza się poprzez wyznaczenie średnicy krytycznej. Średnice krytyczne można wyznaczyć trzema meto-dami:
a ) b)
Temperatura
MS
Vk r
Czas
Temperatura
MS
Vk r Czas
133 a) doświadczalną,
b) obliczeniową, c) wykreślną.
Metoda doświadczalna - zwana także metodą krzywych „U", została zapoczątkowana przez E. C. Baina, a następnie rozwinięta przez M. A. Gros-smanna. Metoda ta znalazła szerokie zastosowanie przed II wojną światową.
Polega ona na tym, że pręty o różnych średnicach hartuje się z temperatury właściwej dla danego gatunku stali w wodzie i oleju. Następnie pręty przecina się i wyznacza rozkład twardości na ich średnicach.
Uzyskane wyniki nanosi się na wykres HRC = f (średnicy). Kształt krzy-wych zbliżony jest do litery U i stąd pochodzi nazwa metody. Zbiór takich krzywych stanowi charakterystykę hartowności badanej stali. Na podstawie wykonanych pomiarów, znając twardość krytyczną, wyznacza się średnicę krytyczną. Średnicę krytyczną można także wyznaczyć, opierając się na obserwacji zgładów metalograficznych wykonanych z zahartowanych próbek.
Metoda krzywych „U" ma wiele wad, takich jak nieciągła zmiana szybkości chłodzenia oraz duża pracochłonność związana z wykonaniem wielu próbek i pomiarów twardości. Ze względu na kłopotliwość wykonania próby jest ona rzadko stosowana.
Metoda obliczeniowa - została opracowana w 1942 r. przez M. A. Grossmanna.
W tej metodzie oblicza się wpływ składników stopowych i wielkości ziarna austenitu na hartowność, stosując określone doświadczalnie mnożniki.
D0 = D0 c· k1· k2· k3· . . . · kn (8.1) gdzie: D0 - idealna średnica krytyczna stali stopowej przy kryterium 50% martenzytu
w osi przekroju,
D0c - idealna średnica krytyczna podstawowa dla stali węglowej o tej samej zawartości węgla i wielkości ziarna co stal stopowa,
k1...kn - mnożniki hartowności dla poszczególnych składników stopowych.
Wartości D0c oraz k1... kn odczytuje się z wykresów dla odpowiednich pierwiastków. Dla uproszczenia opracowano metodę logarytmiczną, w której iloczyn zastąpiono sumą czynników. Odpowiednie wartości czynników stabe-laryzowano. Znając idealną średnicę krytyczną D0, wyznacza się następnie rzeczywistą średnicę krytyczną D5 0, uwzględniając współczynnik intensywno-ści chłodzenia Η (rys. 8.10).
Metoda wykreślna - obecnie najczęściej stosowana, oparta jest na próbie hartowania od czoła Jominy'ego (1938). Próba hartowności metodą har-towania od czoła wykonywana jest wg PN-79/H-04402. Polega ona na oziębieniu strumieniem wody czołowej powierzchni próbki walcowej oraz pomiarze twardości wzdłuż zeszlifowanej tworzącej próbki. Wynik badania
przedstawia się w postaci krzywej twardości próbki w funkcji odległości od jej powierzchni czołowej. Poza dużą prostotą i powtarzalnością wyników zaletą tej metody jest duży zakres zmienności szybkości chłodzenia na długości próbki od 350 do 2°C/s. Umożliwia to analizę zachowania się stali w różnych warunkach chłodzenia oraz badanie gatunków stali konstrukcyjnych o szero-kim zakresie hartowności.
Do wad metody można zaliczyć:
• obecność bainitu nie jest wykrywana przez pomiar twardości a ma wpływ na inne własności mechaniczne niż twardość,
• jednorodność austenitu ma duży wpływ na wyniki próby.
Przyjmując za kryterium idealną średnicę krytyczną, wyróżnia się cztery grupy stali:
1) o małej hartowności D0 < 50 mm, 2) o średniej hartowności D0 = 50÷80 mm, 3) o dużej hartowności D0 = 80÷150 mm, 4) o bardzo dużej hartowności D0 > 150 mm.
Hartowność jest jedną z najważniejszych cech użytkowych stali, stanowi bowiem główne kryterium doboru stali konstrukcyjnych i podstawę opracowa-nia technologii ich obróbki cieplnej. Obecnie skład chemiczny stali konstruk-cyjnych dobierany jest pod względem zapewnienia określonej hartowności.
Pozwala to na racjonalny dobór stali w zależności od przekroju hartowanego elementu, tak aby nastąpiło jego zahartowanie na wskroś.
8.4. Przebieg ćwiczenia