Wpływ szybkości nagrzewania do temperatury odpuszczania na efekt kruchości odpuszczania

Jeżeli istotnie za efekt kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju odpowiedzialne są węgliki o wydłużonych kształtach powstające głownie w poprzek listew martenzytu to ingerując w miejsce ich zarodkowania oraz kształt (poprzez ingerencję w kinetykę ich powstawania), będzie można wymusić ich zarodkowanie w korzystnych dla odporności na pękanie miejscach, tworząc finalnie węgliki krótsze i równomierniej rozłożone.

W celu zróżnicowania szybkości nagrzewania zahartowanych próbek udarnościowych do wybranych temperatur odpuszczania zastosowano oprócz nagrzanego pieca dwa dodatkowe ośrodki grzewcze. Wybranie trzech różnych ośrodków, w których próbki były odpuszczane miało na celu wywołanie zmiany dominacji (udziału) poszczególnych przemian fazowych występujących podczas odpuszczania. Oczekiwano, że efektem zmiany dominacji procesów odpuszczania martenzytu a zwłaszcza wydzielania węglików będzie zmiana udarności badanych stali po odpuszczaniu.

W pierwszym etapie badań zastosowano mieszankę soli S150 o następującym składzie: 55% KNO₂, 43% NaNO₂, 1% K₂CrO₄ i 1,5% K₂Cr₂O₇. Sole były roztapiane w zamkniętym pojemniku przy wybranych temperaturach przez czas co najmniej 2 godzin. Po ustabilizowaniu temperatury uprzednio zahartowane próbki zanurzano w soli, zamykano pojemnik i umieszczano go na 2 godziny w nagrzanym do odpowiedniej temperatury piecu. Zakres temperaturowy stosowania powyższej mieszanki według danych literaturowych [201], mieści się w granicach 170÷450 °C, dlatego też w przypadku tych soli próbki odpuszczano przy pięciu wybranych temperaturach 250, 300, 350, 400 i 450 °C. Według danych zamieszczonych w pracy [201] szybkość nagrzewania próbek w takiej mieszance soli mieści się w granicach od 50÷100 °C/s. Są to zatem szybkości większe aniżeli największa szybkość (35 °C/s) jaką zastosowano do wyznaczenia wykresów CTPcO

(rys. 52-54).

Po takim odpuszczaniu próbki były szlifowane na wymiar i łamane na młocie Charpy’ego. Wyniki tych badań zestawiono wraz z wynikami próbek odpuszczanych w nagrzanym piecu. Na rysunku 86 pokazano wpływ odpuszczania w nagrzanym piecu i roztopionej mieszance soli na udarność stali W I, na rysunku 87 dla stali W II a dla stali W III na rysunku 88.

- 161 -

Rys. 86. Wpływ odpuszczania w nagrzanym piecu i roztopionej mieszance soli na udarność stali W I

Rys. 87. Wpływ odpuszczania w nagrzanym piecu i roztopionej mieszance soli na udarność stali W II

- 162 -

Rys. 88. Wpływ odpuszczania w nagrzanym piecu i roztopionej mieszance soli na udarność stali W III

Wyraźnie możemy zauważyć, że odpuszczanie w soli spowodowało zmniejszenie udarności i przesunięcie efektu kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju do wyższych temperatur odpuszczania. Szybkie nagrzewanie (50÷100 °C/s) do temperatur odpuszczania z zakresu 250÷450 °C z pewnością ograniczyło stopień starzenia martenzytu w stali W I a w przypadku stali W II i W III ograniczyło wydzielanie węglików przejściowych. W takich warunkach wydzielający się podczas izotermicznego wytrzymania przy 250÷450 °C/2 godz. cementyt czerpał węgiel głównie z osnowy (martenzytu). Są to odpowiednie warunki do wydzielania tego węglika wewnątrz listew martenzytu w orientacji prostopadłej do ich osi gdzie promowana może być płaszczyzna (100), która, jak wspomniano wcześniej jest płaszczyzną łupliwości (łatwego pękania).

Odpuszczanie w soli spowodowało pogłębienie i rozszerzenie efektu kruchości pierwszego rodzaju, który może być związany ze zmianą zarodkowania węglików powstających podczas odpuszczania tej stali. Szybkie nagrzewanie występujące w mieszance soli może sprzyjać wzrostowi naprężeń i zarodkowaniu węglików w jednym uprzywilejowanym kierunku lub na granicach listew. Jak widać szybkość ta jest nieuzasadniona w celu zniwelowania efektu kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju.

W przypadku stali W II (rys. 87) widać, że w początkowym etapie odpuszczanie w soli przyniosło poprawę udarności próbek w porównaniu do próbek odpuszczanych klasycznie. Wzrost udarności w przypadku odpuszczania w temperaturze 250 °C i 300 °C wyniósł odpowiednio 6 i 9 J. Niestety powyżej temperatury 350 °C otrzymano niższe wartości udarności próbek odpuszczanych w soli. W przypadku odpuszczania w temperaturze 450 °C spadek udarności w porównaniu do

- 163 -

próbek odpuszczanych klasycznie wyniósł 22 J. Jak widać, występujący efekt kruchości odpuszczania w próbkach odpuszczonych klasycznie został przesunięty do wyższych temperatur i pogłębił się w przypadku próbek odpuszczanych w soli.

Wykres na rysunku 88 przedstawia wyniki wpływu sposobu odpuszczania na zmiany udarności stali W III. Analizując ten wykres widać dokładnie taką samą zależność jak w przypadku poprzednich dwóch stali. Występujący efekt kruchości odpuszczania przy 300 °C dla próbek odpuszczanych w piecu został przesunięty do temperatury 400 °C w przypadku próbek odpuszczanych w soli.

Na podstawie wszystkich wyników można przypuszczać, że odpuszczanie próbek w soli powoduje znaczne zmiany w dominacji występujących przemian fazowych podczas odpuszczania. Wydaje się, że zwiększenie szybkości nagrzewania próbek wywołało przesunięcie do wyższych temperatur wydzielania się węglików przejściowych i cementytu, czego efektem jest występowanie efektu kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju w wyższych temperaturach i zwiększenie mocy tego efektu.

W kolejnej części badań postanowiono jeszcze silniej zwiększyć szybkość nagrzewania do temperatury odpuszczania z zakresu występowania kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju mając nadzieję na usunięcie tego niekorzystnego zjawiska. Próbki w tej części badań nagrzewano w kąpieli metalicznej. Użyto mieszanki: 34% Sn, 26% Pb i jako dopełnienie składu 40% Zn. Stop ma handlową nazwę TZC 35 i nazywany jest stopem Mireta. Jego temperatura topnienia wynosi 305 °C. W związku z dość wysoką temperaturą przejścia tego stopu w stan ciekły postanowiono sprawdzić wpływ szybkości nagrzewania w tym stopie tylko dla temperatury odpuszczania 350 °C. W przypadku każdej badanej stali temperatura ta znajduje się w zakresie kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju. W opisanej kąpieli metalicznej szybkość nagrzewania wynosi ok. 300 °C/s. Na rysunku 89 pokazano wpływ szybkości nagrzewania do odpuszczania w wyżej opisanej mieszance soli i stopie Mireta do temperatury 350 °C na udarność badanych stali. Próbki były wytrzymane w opisanych kąpielach przez 2 godziny. Dodatkowo zamieszczono również wyniki udarności dla próbek po klasycznym odpuszczaniu w nagrzanym piecu.

- 164 - a)

b)

c)

Rys. 89. Wpływ szybkości nagrzewania do odpuszczania przy temperaturze 350 °C/2h na udarność stali a) W I, b) W II i c) W III

Z uzyskanych wyników badań widać, że zastosowanie największej szybkości nagrzewania (300 °C/s) w kąpieli metalicznej stopu Mireta skutkuje zniwelowaniem niekorzystnego efektu

- 165 -

kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju. W przypadku każdej stali po odpuszczaniu w kąpieli metalicznej odnotowano poprawę udarności i uzyskano udarność na poziomie z przed wystąpienia niekorzystnego jej spadku. Dla stali W I po odpuszczaniu w kąpieli metalicznej odnotowano udarność 112 J. Dla stali W II wzrost ten wynosił z 36 do 47 J natomiast w przypadku stali W III z 4 J, udarność wzrosła do 6 J.

Niniejsze wyniki w dużym stopniu potwierdzają, że główną przyczyną wystąpienia kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju jest niekorzystny układ węglików, który powstaje podczas odpuszczania. W przypadku klasycznego odpuszczania (w nagrzanym piecu) przy temperaturach występowania kruchości odpuszczania I-ego rodzaju wydzielające się głównie w płaszczyznach łatwego pękania. węgliki, głównie cementyt, tworzą mikrostrukturę przypominającą bainit. Wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania dochodzi do wzrostu długości powstałych węglików i tworzenie się coraz dłuższej drogi łatwego pękania czego efektem jest wzrost długości swobodnej pęknięcia. W przypadku gdy wydzielania stworzyły już niekorzystny układ węglików powtórne odpuszczanie pogłębia tylko ten stan, gdyż podczas niego węgliki będą się dobudowywać do już powstałych, zwiększając ich długość. Jedynym rozwiązaniem jest otrzymanie korzystnego rozmieszczenia i długości powstałych węglików na drodze zmiany szybkości nagrzewania do odpuszczania. Wraz ze wzrostem szybkości nagrzewania do odpuszczania wymuszony zostaje inny mechanizm zarodkowania węglików; z „insitu” w niezależny, czego efektem jest otrzymanie mikrostruktury przypominającej bainit dolny i wzrost udarności.

Przy umiarkowanym wzroście szybkości nagrzewania do odpuszczania opisany wyżej proces wydzielania węglików o wydłużonym kształcie w poprzek listew martenzytu jest przesuwany do coraz wyższych temperatur i efekt kruchości odpuszczania I-ego rodzaju również jest przesuwany z zakresu 300÷350 °C do wyższych temperatur. Natomiast zastosowanie bardzo dużych szybkości nagrzewania (w kąpieli metalicznej) powoduje, że węgliki (cementyt) wydzielają się gównie przy coraz wyższych temperaturach z pominięciem wydzielania węglików przejściowych a ich kształt opisany współczynnikiem K zbliża się do 1.

- 166 -