Zakaljivost čelika

Upute za laboratorijske vježbe

Vježba br. 2 – Zakaljivost čelika 1

Vježba 2

ZAKALJIVOST ČELIKA

Kaljenje je jedan od važnijih postupaka toplinske obrade čelika čiji je cilj povećati njegovu tvrdoću. Kaljenje se izvodi zagrijavanjem čelika na pravilnu temperaturu austenitizacije, te zatim brzog hlañenja da bi se dobio martenzit. Pravilnu temperaturu austenitizacije za ugljične čelike shematski prikazuje slika 2.1..

Slika 2.1. Izbor pravilne temperature austenitizacije Kod kaljenja podeutektoidnih čelika zagrijavanje se izvodi na temperaturu koja iznosi 30 do 50°C iznad linije Ac3. Na niže se temperature ne ide jer se mora dobiti austenitna mikrostruktura koja će otopiti cjelokupni ugljik iz čelika i iz koje će se brzim hlañenjem dobiti martenizit. Na više se temperature ne ide jer bi u tom slučaju dobili gruba austenitna zrna iz kojih bi brzim hlañenjem nastala gruba martenzitna zrna, a koja bi snizila ionako nisku žilavost. Uz to bi se i nepotrebno trošila dodatna energija. Nadeutektoidni čelici se zagrijavaju 30 do 50°C iznad linije Ac1. Zagrijavanje se ne provodi iznad linije Acm jer bi se osim nepotrebnog povećanja austenitnog zrna i trošenja energije otopilo i više ugljika u austenitu čime bi ga, zbog niže Mf temperature, gašenjem ostalo više nepretvorenog pa bi tvdoća bila i manja. Osim toga cilj kaljenja je postizanje što veće tvrdoće, a cementit ima tvrdoću i veću od martenzita. Isto tako zrna cementita služe kao klice pri austenitnoj pretvorbi u sitni martenzit. Kod kaljenja treba razlikovati pojmove zakaljivost i prokaljivost s tim da će se prokaljivost objasniti u narednim vježbama. Zakaljivost je svojstvo čelika da postigne što veću tvrdoću nakon brzog hlañenja. Ovdje se misli na površinsku tvrdoću i uz pretpostavku da je hlañenje izvedeno s odgovarajuće temperature kritičnom, ili većom, brzinom hlañenja. Kritične brzine hlañenja kod ugljičnih čelika s manje od 0,25%C su toliko velike da se u praksi mogu postići samo uz posebnu opremu i visoke troškove, pa se dogovorno, zakaljivim smatraju čelici koji sadrže više od 0,25%C. Legirni elementi utječu na zakaljivost samo posredno jer povećavaju vrijeme inkubacije tj. smanjuju kritičnu brzinu hlañenja. Inače se legiranjem tvrdoća može nešto povećati, ali ne radi povećane tvrdoće martenzita već radi stvaranja kemijskih spojeva koji imaju tvrdoću veću od martenzita.

Materijali 2


Zakaljivost znači ovisi samo o količini otopljenog ugljika u austenitu tj. o njegovoj količini u martenzitu nakon brzog hlañenja. Praktična zakaljivost nekog čelika može se odrediti iz slike 2.2. gdje je prikazana ovisnost tvrdoće čelika o sadržaju ugljika u čeliku te o sadržaju martenzita u mikrostrukturi. Vidljivo je da nakon 0,7%C tvrdoća više ne raste zbog meñusobnog djelovanja cementita, martenzita i rastućeg udjela zaostalog austenita.

Slika 2.2. Tvrdoća martenzita u ovisnosti o udjelu ugljika u čeliku

prema Hodgeu i Orehoskiu [2] Inače kada bi se nadeutektoidni čelik zagrijavao iznad Acm temperature i naglo ohladio na način da je temperatura rashladnog sredstva ispod Mf temperature, eliminirao bi se zaostali austenit iz mikrostrukture te bi tvrdoća i dalje rasla, kako je to prikazano na slici 2.3..

Slika 2.3. Ovisnost tvrdoće čelika o temperaturi zagrijavanja, načinu hlañenja

i sadržaju ugljika [2]



Omjer postignute i maksimalne postizive tvrdoće nekog čelika naziva se stupanj zakaljenosti, a može se definirati kao:

0 72 1 0stv

max

HPostignuta tvrdoćaS , ,

Maksima ln o postiziva tvrdoća H= = = − , (2.1)

gdje S=0,72 odgovara približno 50% martenzita u mikrostrukturi, dok S=1,0 odgovara približno 100% martenzita u mikrostrukturi. Krivulja maksimalno postizive tvrdoće u intervalu od 0,1 do 0,6%C može se opisati izrazom:

20 60maxH %C= + . (2.2)

Poznato je da se kod ugljičnih čelika sa više od 0,6%C, a kod legiranih i sa manje %C, Mf temperatura nalazi ispod sobne temperature (Uptonov dijagram). To znači da se kod takvih čelika prilikom hlañenja do sobne temperature ne obavi potpuna transformacija austenita u martenzit već ostane dio austenita nepretvoren tzv. zaostali austenit. Takav austenit smanjuje čvrstoću i tvrdoću te otežava obradivost brušenjem, a osim toga negativno djeluje na stabilnost dimenzija i magnetska svojstva. Zbog toga se ponekad nakon kaljenja primjenjuje postupak dubokog hlañenja koji je toliko učinkovitiji, u pogledu povećanja tvrdoće, koliko je niža temperatura Ms. Razlog tome je što legirni elementi koji snižavaju Ms temperaturu povećavaju količinu zaostalog austenita, a proces dubokog hlañenje je učinkovit ako zaostalog austenita ima više od 10-15% u mikrostrukturi.

ZADATAK

Potrebno je dokazati utjecaj sadržaja ugljika u čeliku na njegovu tvrdoću i čvrstoću izvoñenjem toplinske obrade kaljenja na tri uzorka koja su izrañena od različitih čelika čiji je kemijski sastav prikazan u tablici 2.1. Treba takoñer izračunati stupanj zakaljenosti za svaki čelik te nacrtati odgovarajuće krivulje. Tablica 2.1 Kemijski sastav uzoraka

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

C15 Č.1221 0,15 0,45 / / / / C45E Č.1531 0,46 0,65 max 0,4 max 0,4 max 0,1 max 0,4

C 105 U Č.1940 1,05 0,25 0,2 / / / Rezultati pokusa

Tvrdoća se mjeri na tri različita mjesta na površini uzorka te se rezultati unose u tablicu 2.2. Treba izračunati prosječnu tvrdoću i s tim rezultatima nacrtati krivulju ovisnosti tvrdoće o sadržaju ugljika. Tablica 2.2 Rezultati mjerenja tvrdoće

Tvrdoća (HV) Prije toplinske obrade Kaljeno u vodi

Oznaka čelika

1 2 3 Prosjek 1 2 3 Prosjek C15

C45E C 105 U

Materijali 2


Čvrstoća čelika se može izračunati ako je poznata tvrdoća iz izraza: 20, 426 586,5

m cR HR= + ili 3,3

mR HV= . (2.3)

Tablica 2.3 Čvrstoća čelika

Oznaka čelika

Čvrstoća [MPa]

EN 10027-1 Rm

C15 C45E

C 105 U

Tablica 2.4 Stupanj zakaljenosti čelika

Oznaka čelika

Stupanj zakaljenosti

EN 10027-1 S C15

C45E C 105 U

Dijagram ovisnosti tvrdoće o sadržaju ugljika



Dijagram ovisnosti čvrstoće o sadržaju ugljika

Ogovorite na slijedeća pitanja 1. Kako se izvodi postupak toplinske obrade kaljenja? 2. Što je to zakaljivost i o čemu ovisi? 3. Koji se čelici mogu praktično zakaliti? 4. Što je to stupanj zakaljenosti? 5. Što je to zaostali austenit, zašto nastaje, kako ga eliminirati i kako legirni elementi utječu na količinu zaostalog austenita u mikrostrukturi? 6. Koji od tri ispitivana čelika ima najveću zakaljivost i zašto? 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.

Documents

Zakaljivost čelika