7
Upute za laboratorijske vježbe Vježba br. 3 – Ispitivanje prokaljivosti metodom Grossmann 1 Vježba 3 ISPITIVANJE PROKALJIVOSTI METODOM GROSSMANN Prokaljivost je svojstvo čelika da ohlañen odreñenom brzinom može postići odreñenu dubinu zakaljenog sloja. To znači da će se potpuna prokaljenost postići samo ako je prilikom gašenja svaka točka poprečnog presjeka bila hlañena kritičnom brzinom ili većom od nje. U tom slučaju bi svaka točka presjeka imala stupanj zakaljenosti S=1 što se u praksi gotovo nikada ne postiže. Kao posljedica austenitno-martenzitne transformacije prokaljivost najviše ovisi o kemijskom sastavu čelika. Dok dubina zakaljenog sloja ovisi o obliku i veličini proizvoda i uvjetima hlañenja. Pod uvjetima hlañenja ne podrazumijeva se samo odreñeno rashladno sredstvo sa svojim kemijskim i fizikalnim svojstvima, nego i temperatura rashladnog sredstva te brzinu njegovog gibanja odnosno proizvoda prilikom hlañenja. Što rashladno sredstvo brže odvodi toplinu sa proizvoda biti će i veća dubina zakaljenog sloja. Oblik poprečnog presjeka uvelike utječe na brzinu odvoñenja topline tijekom hlañenja, a s time i na veća dubina zakaljenog sloja. Proizvodi kvadratnog ili pravokutnog poprečnog presjeka uvijek pokazuju manju veća dubina zakaljenog sloja od okruglih proizvoda iste veličine poprečnog presjeka. Takoñer kod većih poprečnih presjeka biti će sporije odvoñenje topline pa će i prokaljivost biti manja. Legirni elementi u čeliku stabiliziraju austenit, tj. produžuju minimalno vrijeme trajanja inkubacije, što znači da povećavaju prokaljivost. Što je čelik više legiran biti će duže minimalo vrijeme trajanja inkubacije, a s time će i kritična brzina hlañenja biti manja. To znači da ako se dva proizvoda od različitih čelika istih dimenzija gase u istim uvjetima onaj čelik koji je više legiran postići će do veće dubine stupanj zakaljenosti S=1, jer će kod njega gornja kritična brzina biti manja pa će austenit potpuno modificirati u martenzit na većoj dubini. Može se zaključiti da će najveću veća dubina zakaljenog sloja imati proizvodi malih dimenzija, izrañeni od legiranih čelika i hlañeni u slanoj vodi. Osim spomenutih faktora, istraživanja su pokazala da na prokaljivost u odreñenoj mjeri utječe i veličina austenitnog zrna, segregacije, nečistoće, karbidi, nitridi, itd. Postoji više metoda za ispitivanje prokaljivosti, a ovdje ćemo spomenuti dvije koje se najčće primjenjuju. To je metoda koju je osmislio Grossmann i metoda koju je osmislio Jominy, a koja će biti opisana u sljedećoj vježbi. Grossmannova metoda odreñivanja prokaljivosti sastoji se od kaljenja niza čeličnih valjaka različitih promjera. Obično se uzima deset valjaka promjera od 10 do 100 mm, s tim da moraju imati visinu četiri puta veću od promjera da se smanji utjecaj čela valjaka na rezultate o prokaljivosti. Nakon kaljenja valjci se na polovici visine režu na metalografskoj rezalici te se na svakom valjku mjeri tvrdoća od ruba prema središtu, te se nakon pripreme, promatra metalografija poprečnog presjeka za svaki valjaka. Rezultati mjerenja tvrdoće prikazuju se grafički, kako je to prikazano na slici 3.1 za šest valjaka. Iz metalografskih slika utvrñuje se koji valjak u jezgri ima 50% martenzita u mikrostrukturi te se promjer tog valjka naziva kritični promjer D k .

Grossman ProKalJiVost

Embed Size (px)

DESCRIPTION

prokaljivanje čelika metotom grossman

Citation preview

Page 1: Grossman ProKalJiVost

Upute za laboratorijske vježbe

Vježba br. 3 – Ispitivanje prokaljivosti metodom Grossmann 1

Vježba 3

ISPITIVANJE PROKALJIVOSTI METODOM GROSSMANN

Prokaljivost je svojstvo čelika da ohlañen odreñenom brzinom može postići odreñenu dubinu zakaljenog sloja. To znači da će se potpuna prokaljenost postići samo ako je prilikom gašenja svaka točka poprečnog presjeka bila hlañena kritičnom brzinom ili većom od nje. U tom slučaju bi svaka točka presjeka imala stupanj zakaljenosti S=1 što se u praksi gotovo nikada ne postiže. Kao posljedica austenitno-martenzitne transformacije prokaljivost najviše ovisi o kemijskom sastavu čelika. Dok dubina zakaljenog sloja ovisi o obliku i veličini proizvoda i uvjetima hlañenja. Pod uvjetima hlañenja ne podrazumijeva se samo odreñeno rashladno sredstvo sa svojim kemijskim i fizikalnim svojstvima, nego i temperatura rashladnog sredstva te brzinu njegovog gibanja odnosno proizvoda prilikom hlañenja. Što rashladno sredstvo brže odvodi toplinu sa proizvoda biti će i veća dubina zakaljenog sloja. Oblik poprečnog presjeka uvelike utječe na brzinu odvoñenja topline tijekom hlañenja, a s time i na veća dubina zakaljenog sloja. Proizvodi kvadratnog ili pravokutnog poprečnog presjeka uvijek pokazuju manju veća dubina zakaljenog sloja od okruglih proizvoda iste veličine poprečnog presjeka. Takoñer kod većih poprečnih presjeka biti će sporije odvoñenje topline pa će i prokaljivost biti manja. Legirni elementi u čeliku stabiliziraju austenit, tj. produžuju minimalno vrijeme trajanja inkubacije, što znači da povećavaju prokaljivost. Što je čelik više legiran biti će duže minimalo vrijeme trajanja inkubacije, a s time će i kritična brzina hlañenja biti manja. To znači da ako se dva proizvoda od različitih čelika istih dimenzija gase u istim uvjetima onaj čelik koji je više legiran postići će do veće dubine stupanj zakaljenosti S=1, jer će kod njega gornja kritična brzina biti manja pa će austenit potpuno modificirati u martenzit na većoj dubini. Može se zaključiti da će najveću veća dubina zakaljenog sloja imati proizvodi malih dimenzija, izrañeni od legiranih čelika i hlañeni u slanoj vodi. Osim spomenutih faktora, istraživanja su pokazala da na prokaljivost u odreñenoj mjeri utječe i veličina austenitnog zrna, segregacije, nečistoće, karbidi, nitridi, itd. Postoji više metoda za ispitivanje prokaljivosti, a ovdje ćemo spomenuti dvije koje se najčešće primjenjuju. To je metoda koju je osmislio Grossmann i metoda koju je osmislio Jominy, a koja će biti opisana u sljedećoj vježbi. Grossmannova metoda odreñivanja prokaljivosti sastoji se od kaljenja niza čeličnih valjaka različitih promjera. Obično se uzima deset valjaka promjera od 10 do 100 mm, s tim da moraju imati visinu četiri puta veću od promjera da se smanji utjecaj čela valjaka na rezultate o prokaljivosti. Nakon kaljenja valjci se na polovici visine režu na metalografskoj rezalici te se na svakom valjku mjeri tvrdoća od ruba prema središtu, te se nakon pripreme, promatra metalografija poprečnog presjeka za svaki valjaka. Rezultati mjerenja tvrdoće prikazuju se grafički, kako je to prikazano na slici 3.1 za šest valjaka. Iz metalografskih slika utvrñuje se koji valjak u jezgri ima 50% martenzita u mikrostrukturi te se promjer tog valjka naziva kritični promjer Dk.

Page 2: Grossman ProKalJiVost

Materijali 2

Vježba br. 3 – Ispitivanje prokaljivosti metodom Grossmann 2

Slika 3.1. Grafički prikaz utvrñivanja kritičnog promjera

Kritični promjer može se utvrditi i iz krivulja promjene tvrdoće po poprečnom presjeku ako se utvrdi kritična tvrdoća koja odgovara mikrostrukturi sa 50% martenzita. Taj postupak je pokazan na slici 3.1. Valjci čiji je promjer manji od Dk imaju i više od 50% martenzita u jezgri pa se dogovorno smatraju zakaljenima, dok su valjci sa promjerima većim od Dk zakaljeni samo do odreñene dubine što se vidi iz slike 3.1. Što je veći kritični promjer nekog čeličnog uzorka veća mu je i veća dubina zakaljenog sloja. Kritični promjer ovisi o rashladnom sredstvu u kojem je ispitivanje provedeno te ako se uzme drugo rashladno sredstvo dobiti će se i drugačiji Dk. Kako bi uzeo u obzir i uvjete hlañenja Grossmann je uveo pojam intenziteta hlañenja I koja se može odrediti eksperimentom konvencionalnom metodom prema normi ISO 9950:1995(E). Na taj način se I definira kao: Intenzitet hlañenja je omjer vremena hlañenja jezgre čeličnog valjka promjera 12,7 mm od 700 do 300°C u vodi temperature 18°C i vremena hlañenja jezgre istog valjka u istom temperaturnom intervalu u ispitivanom rashladnom sredstvu, što se može napisati izrazom:

700 300

700 300

18C

C

( mirna voda temperature C )I

( ispitivano sredstvo )

∆τ

∆τ− °

− °

°= . (2.1)

Neke vrijednosti za intenzitet hlañenja za neka rashladna sredstva mogu se vidjeti u tablici 3.1. Kako bi se mogla odrediti prokaljivost čelika neovisno o rashladnom sredstvu Grossmann je uveo pojam idealni kritični promjer Dik, koji se definira kao promjer čeličnog valjka u čijoj bi jezgri nastalo 50% martenzita kada bi se on hladio rashladnim sredstvom čiji je intenzitet hlañenja I = ∞ . Takvo rashladno sredstvo je imaginarno, jer bi to značilo da takvo sredstvo izjednačava temperaturu zagrijanog čeličnog uzorka sa temperaturom rashladnog sredstva za 0 sekundi, a takvo sredstvo još nije poznato.

Page 3: Grossman ProKalJiVost

Upute za laboratorijske vježbe

Vježba br. 3 – Ispitivanje prokaljivosti metodom Grossmann 3

Tablica 3.1. Intenzitet hlañenja za neka sredstva [2]

Intenzitet hlañenja (I) Način gašenja u zraku u ulju u vodi u slanoj vodi

Proizvod i sredstvo miruju 0,02 0,3 1,0 2,2

Proizvod se umjereno pomiče, sredstvo miruje - 0,4-0,6 1,5-3 -

Proizvod se jako pomiče, sredstvo miruje - 0,6-0,8 3,0-6,0 7,5

Sredstvo se intenzivno štrca na proizvod - 1,0-1,7 6,0-12,0 -

Mora se napomenuti da je vrijednost od 50% martenzita u jezgri valjka sa kritičnim promjerom samo stvar dogovora i da se može uzeti i neki drugi kriterij. Poznavanjem idealnog kritičnog promjera sa 50% martenzita u jezgri može se lako iz slike 3.2. dobiti idealni kritični promjer za druge sadržaje martenzita u jezgri.

Slika 3.2. Povezanost izmeñu idealnih kritični promjera za različite sadržaje martenzita u

mikrostrukturi jezgre

Grossmann je takoñer konstruirao dijagram, prikazan na slici 3.3. iz kojeg se lako može odrediti idealni kritični promjer ako je poznat kritični promjer i intenzivnost hlañenja ili odrediti kritični promjer za odreñeni intenzitet rashladnog sredstva ako je poznat idealni kritični promjer. Za nisko i srednje ugljične čelike prokaljivost odnosno Dik se može orijentacijski izračunati ako se poznaje kemijski sastav i ako se uzme u obzir veličina austenitnog zrna. Prvo se treba izračunati tzv. osnovna prokaljivost DI koja zapravo predstavlja prokaljivost čiste Fe-C legure koja ovisi o udjelu ugljika i veličini austenitnog zrna. Vrijednost osnovne prokaljivosti se može odrediti iz slike 3.4. Zatim se odredi dodatna prokaljivost koja ovisi o udjelu pojedinih legirnih elementa u čeliku. Nakon toga može se procijeniti idealni kritični promjer pomoću izraza:

ik ID D M(%Cr ) M(%Si ) M(%Mn ) M( N%Ni ) M(%Mo ) M(%V )= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ , (2.2)

gdje su M(%...) množitelji legirajućih elementa koji se mogu odrediti sa slike 3.5.

Page 4: Grossman ProKalJiVost

Materijali 2

Vježba br. 3 – Ispitivanje prokaljivosti metodom Grossmann 4

Slika 3.3. Odnos izmeñu kritičnog promjera i idealnog kritičnog promjera za različite

intenzivnosti hlañenja [1]

a- za velike promjere; b- za male promjere

b

a

Page 5: Grossman ProKalJiVost

Upute za laboratorijske vježbe

Vježba br. 3 – Ispitivanje prokaljivosti metodom Grossmann 5

Slika 3.4. Osnovna prokaljivost DI u ovisnosti o sadržaju ugljika i

veličini austenitnog zrna [1]

Slika 3.5. Množitelji legirajućih elemenata [1]

Page 6: Grossman ProKalJiVost

Materijali 2

Vježba br. 3 – Ispitivanje prokaljivosti metodom Grossmann 6

Ispitivanja su pokazala da postoje odstupanja izračunatih vrijednosti za Dik od izmjerenih i do 15%. Razlog tome je nepoznavanje interakcija pojedinih legirnih elemenata jer su pogreške veće što je broj legirnih elemenata veći, što je veća količina legirnih elemenata, te što je manje ugljika u čeliku. Grossmannova metoda je dosta dugotrajna, a i opravdani su prigovori na ideju da se intezitet hlañenja tijekom cijelog procesa hlañenja može opisati sa jednom vrijednošću I. Osim toga I ovisi o veličini poprečnog presjeka, a prema definiciji ne uzima u obzir karakteristike rashladnog sredstva kao što su kemijski sastav, viskozitet ili temperatura.

ZADATAK 1

Potrebno je izmjeriti tvrdoću po poprečnom presjeku valjka dimenzija φ 32 x 20 mm koji je već prethodno zakaljen u vodi i prerezan na sredini metalografskom rezalicom. Tvrdoća se mjeri svaka dva milimetra od površine prema jezgri valjka. Valjak je izrañen od čelika C45E čiji je kemijski sastav prikazan u tablici 3.2. Tablica 3.2. Kemijski sastav uzoraka

Oznaka čelika Kemijski sastav EN 10027-1 HRN %C %Mn %Si %Cr %Mo %Ni

C45E Č.1531 0,46 0,65 0,4 0,4 0,1 0,4 Rezultati pokusa

Iz rezultata mjerenja tvrdoće koji su upisani u tablicu 3.3. treba nacrtati krivulju rasporeda tvrdoće po poprečnom presjeku valjaka. Tablica 3.3. Rezultati mjerenja tvrdoće

Udaljenost od površine valjka δ (mm) 2 4 6 8 10 12 14 16 Tvrdoća (HV)

Dijagram rasporeda tvrdoće po poprečnom presjeku

Page 7: Grossman ProKalJiVost

Upute za laboratorijske vježbe

Vježba br. 3 – Ispitivanje prokaljivosti metodom Grossmann 7

ZADATAK 2

Potrebno je za čelik od kojeg je izrañen valjak izračunati idealni kritični promjer koristeći jednadžbu (2.2) i uzimajući u obzir da veličina austenitnog zrna prema ASTM standardu iznosi 6. Tako dobiveni Dik treba provjeriti pomoću nomograma prikazanog na slici 3.6 uzimajući u obzir da je 2I = .

Slika 3.6 Nomogram za odreñivanje kritičnog promjera i intenziteta hlañenja

Grossmannovom metodom

Ako je poznat intenzitet rashladnog sredstva I, da bi se odredio kritični promjer iz nomograma prokazanog na slici 3.6., može se kaliti samo jedan valjak uz uvjet da se na njegovom poprečnom presjeku nalazi točka s kritičnom tvrdoćom. Omjer Du/D za taj valjak se nanese na ordinatu, a umnožak I D⋅ na apscisu. Presjecište krivulje na kojoj se nalazi unesena točka i apscise daje umnožak

kI D⋅ , iz čega se poznavajući I lako može izračunati Dk.

Raspored tvrdoće po poprečnom presjeku za valjak D=32 mm, izrañen od čelika C45E, dobiven je pokusom. Iz tog dijagrama treba pronaći Du i pomoću nomograma na slici 3.6. odrediti Dk, te iz dijagrama sa slike 3.3. odrediti Dik.

Ogovorite na slijedeća pitanja 1. Što je to prokaljivost i o čemu ovisi? 2. Kako se izvodi Grossmannova metoda ispitivanja prokaljivosti? 3. Što je kritični promjer? 4. Što je idealni kritični promjer? 5. Što predstavlja pojam intenzivnost hlañenja i kako se odreñuje? 6. Što se može reći o prokaljivosti čelika C45E? REFERENCE [1] George E. Totten, Steel heat treatment: metallurgy and technologies, CRC Press, 2007. [2] Ivo Alfirević, Inženjerski priručnik IP4: Proizvodno strojarstvo, Školska knjiga d.d., Zagreb, 1998. [3] Romeo Deželić, Metali 2, Sveučilište u Splitu, FESB, 1987.