Upute za laboratorijske vježbe

Vježba br. 8– Popuštanje čelika 1

Vježba 8

POPUŠTANJE ČELIKA Zakaljeni čelični strojni elementi vrlo rijetko se izravno koriste u praksi jer su im žilavost i rastezljivost vrlo niske, a i mikrostruktura obično obiluje zaostalim naprezanjima koja mogu dovesti do neželjenih pukotina ili deformacija u eksploataciji. Zato se obično nakon kaljenja provodi toplinska obrada kojom se čelik u odreñenoj mjeri vraća u ravnotežno stanje. Jedan od takvih postupaka je popuštanje. Popuštanje se izvodi zagrijavanjem zakaljenog čelika na temperaturu koja je uvijek niža od A1. To znači da neće nastupiti pretvorba u austenit već će se sve promjene mikrostrukture i svojstava odvijati difuzijom. Iz toga proizlazi da će ključni parametri prilikom izvoñenja popuštanja biti temperatura i vrijeme trajanja postupka. Nakon kaljenja u mikrostrukturi čelika mogu nastati različite kombinacije faza ovisno o vrsti čelika, dimenzijama proizvoda i postignutoj brzini hlañenja:

- 100% martenzit - martenzit+zaostali austenit - martenzit+zaostali austenit+različiti karbidi - martenzit+ferit+perlit+sorbit+troostit+bainit.

Najčešća su prva tri slučaja, s time da karbidi ako nisu bili otopljeni u austenitu nisu aktivni tijekom popuštanja. Pojedini stupnjevi promjena mikrostrukture i svojstava tijekom popuštanja nazivaju se stadiji popuštanja. Obično su stadiji odreñeni temperaturnim intervalom u kojem se zbivaju značajnije promjene. Ti intervali su fleksibilni te se i preklapaju, a ovise o vrsti čelika koji se popušta, jer legirni elementi otežavaju difuziju pa će se i stadiji razlikovati ovisno o tome je li riječ o nelegiranom, niskolegiranom ili visokolegiranom čeliku. S obzirom da na difuziji utječe i vrijeme trajanja popuštanja, kada se stadiji definiraju samo temperaturom pretpostavlja se da je vrijeme trajanja 1 do 2 sata. To je najčešće u praksi jer se u tom vremenskom periodu dogañaju najveće promjene svojstava pa duže zadržavanje iz ekonomskih razloga nije preporučljivo. Kod nelegiranih i niskolegiranih čelika prilikom popuštanja mogu se utvrditi tri stadija:

- niskotemperaturno popuštanje koje se izvodi zagrijavanjem do 200°C kada ugljik izlazi iz martenzita te se snižava njegov stupanj tetragonalnosti. Izlučeni ugljik stvara tzv. prijelazni karbid (još se zove i ε-karbid) Fe2C ili Fe2,4C. Nastajanje sitnih čestica ovog karbid može dovesti u ovom stadiju i do porasta tvrdoće nekih čelika. U ovom stadiju se popuštaju strojni elementi koji se koriste za rezne i mjerne alate.

- srednjetemperaturno popuštanje koje se izvodi na temperaturama od 200 do 400°C

kada se zaostali austenit pretvara u martenzit (prema nekim autorima u bainit odnosno karbid), te kada kubni martenzit i prijelazni karbid postupno prelaze u cementit Fe3C. Ovaj stadij prati i porast volumena, a izvodi se najčešće na opružnim čelicima te na alatnim čelicima za udarni rad. Za ovaj stadij je vezana i tzv. krhkost popuštanja kada se popuštanjem na temperaturama od 230 do 320°C dobije visoka krhkost popuštanih predmeta. Taj problem se rješava izbjegavanjem tog temperaturnog intervala ili dodavanjem čelicima više od 1% Si.

Materijali 2

Vježba br. 8 – Popuštanje čelika 2

- visokotemperaturno popuštanje koje se izvodi iznad 400°C pa sve do temperature A1

kada se čestice cementita sve više ukrupnjavaju i poprimaju sferni oblik. Iznad 600°C sve su čestice cementita prošle koagulaciju i imaju sferni oblik. Konačna mikrostruktura će se sastojati od ferita sa sitnim i jednoliko raspreñenim oblih čestica cementita posljedica čega je veća žilavost i čvrstoća čelika u odnosu na njegovo normalizirano stanje. Ovaj postupak popuštanja se izvodi na strojnim elementima koji su izloženi dinamičkim opterećenjima kao što su: vijci, zupčanici, osovine, itd.

U ovom stadiju javlja se visokotemperaturna krhkost popuštanja, koja se očituje niskom žilavošću nakon visokog popuštanja na temperaturama oko 500°C. Nastupa kada se uzorke sporo hladi s navedene temperature popuštanja. Pojava ne nastupa ako se popušta na temperaturama ispod 450°C i poviše 550°C te sporo hladi. Krhkost popuštanja iz ovog stadija ne nastupa ni kada se čelici brzo hlade (u vodi) s temperature popuštanja. Takoñer se ne javlja kod nelegiranih čelika niti kod čelika koji su legirani s više od 0,2% Mo (ili više od 1% W). Učinkovitost popuštanja, kako je već navedeno, ovisi o temperaturi i trajanju postupka, s tim da se temperatura i vrijeme su meñusobno zamjenjivi.

ZADATAK 1

Tri uzorka izrañena od čelika C45E (Č 1531) zakaljena su u vodi. Potrebno je izmjeriti tvrdoću uzoraka u zakaljenom stanju te rezultate upisati u tablicu 8.1. Svaki uzorak potrebno je popuštati na odreñenoj temperaturi tj. na jednom uzorku potrebno je izvesti niskotemperaturno popuštanje na 200°C, na drugom uzorku srednjetemperaturno popuštanje na 400°C i na trećem uzorku visokotemperaturno popuštanje na 600°C. Nakon popuštanja izmjeriti tvrdoću uzoraka, rezultate upisati u tablicu 8.1., te nacrtati dijagram promjene tvrdoće s temperaturom popuštanja. Tablica 8.1. Rezultati mjerenja tvrdoće

Tvrdoća (HV) Nakon popuštanja Nakon kaljenja u vodi

Temperatura popuštanja

[°C] 1 2 3 Prosjek 1 2 3 Prosjek 200 400 600

Upute za laboratorijske vježbe

Vježba br. 8– Popuštanje čelika 3

Dijagram popuštanja za čelik C45E

Ogovorite na slijedeća pitanja 1. Kako se izvodi postupak popuštanja? 2. Zašto se izvodi postupak popuštanja? 3. Što se dogaña sa mehaničkim svojstvima čelika prilikom popuštanja? 4. Što se dogaña u pojedinom stadiju popuštanja? 5. Što se dogaña sa volumenom čelika prilikom popuštanja? 6. Koje parametre treba kontrolirati prilikom izvoñenja popuštanja? REFERENCE [1] George E. Totten, Steel heat treatment: metallurgy and technologies, CRC Press, 2007. [2] Romeo Deželić, Metali 2, Sveučilište u Splitu, FESB, 1987. [3] Ivo Alfirević, Inženjerski priručnik IP4: Proizvodno strojarstvo, Školska knjiga d.d., Zagreb, 1998.