17.03.2025
Ćwiczenie laboratoryjne nr 2
Obróbka cieplna stali
Katedra Inżynierii Powierzchni i Analiz Materiałów, WIMiIP
dla studentów WIMiR
w ramach przedmiotu
Podstawy nauki o materiałach
2025
Przebieg zajęć
1. Wstęp teoretyczny.
2. Wykonanie ćwiczenia.
3. Sporządzenie sprawozdania:
 Sformułować cel ćwiczenia,
 Wstęp teoretyczny. Wyjaśnić pojęcia: mikrostruktura
stali (wymienić jej podstawowe składniki), obróbka
cieplna, hartowanie, odpuszczanie, pomiar twardości
metodą Rockwella,
 Przebieg ćwiczenia: materiał poddany obróbce, warunki
i przebieg obróbki cieplnej, pomiary twardości,
 Wyniki pomiarów twardości w postaci tabeli,
 Wnioski.
4. Kolokwium (na następnych zajęciach).
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 2
1
17.03.2025
Kolokwium
Na kolokwium zostaną zadane 3 pytania, po jednym z każdego zestawu:
Zestaw 1
1. Podaj definicję stali, perlitu, martenzytu.
2. Podaj definicję austenitu, martenzytu, ferrytu.
3. Podaj definicję stali, bainitu, austenitu.
4. Podaj definicję stali, cementytu, ferrytu.
Zestaw 2
1. Scharakteryzuj przemianę martenzytyczną.
2. Podaj cechy przemiany bainitycznej.
3. Na czym polega zabieg hartowania (dobór temperatury).
Zestaw 3
1. Rodzaje odpuszczania (zakres temperatur) wraz z krótką
charakterystyką.
2. Własności stali węglowych po odpuszczaniu (można zobrazować
wykresem).
3. Jakie przemiany mogą zachodzić w stali podczas chłodzenia austenitu?
Lektura obowiązkowa: Marek Blicharski „Inżynieria materiałowa”
rozdz. 6.12 oraz rozdz. 7.5 i 7.6
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 3
Własności materiałów
Zależą od:
 składu chemicznego (pierwiastków)
 rodzaju wiązań chemicznych
 struktury krystalicznej i jej defektów
 mikrostruktury
zależnej od powyższych czynników oraz od
historii materiału – jego wcześniejszej obróbki:
cieplnej, cieplno-chemicznej, cieplnomechanicznej, mechanicznej itd.)
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 4
2
17.03.2025
Co wpływa na własności materiału
Skład chemiczny
Wiązania atomowe
Struktura krystaliczna
Obróbka: cieplna, cieplno-chemiczna, cieplno-mechaniczna
Mikrostruktura
Własności
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 5
Mikrostruktura wpływa na własności materiału
Przykład: Twardość stali zależy od jej mikrostruktury, a ta mikrostruktura
zależy od składu chemicznego i rodzaju obróbki cieplnej (temperatury
wygrzewania, prędkości chłodzenia i temperatury końcowej).
Mikrostruktura
600
Twardość (BHN)
30 m
500
400
4 m
300
200
30 m
30 m
Wpływ szybkości
chłodzenia na
mikrostrukturę stali
o tym samym
składzie chemicznym
100
0,01 0,1
1
10 100 1000
Szybkość chłodzenia (ºC/s)
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 6
3
17.03.2025
Mikrostruktura wpływa na własności materiału
Mikrostruktura – ponad cząstkowa struktura materii.
Mikrostruktura to:
- wielkość i kształt ziaren materiału
- skład fazowy, wielkość i kształt domen fazowych
- wydzielenia składników lub zanieczyszczeń
- defekty struktury krystalicznej (granice ziaren i faz, dyslokacje).
Mikrostruktura objawia się istnieniem obszarów (domen) różnych faz
fizycznych o najróżniejszych kształtach i granicach pomiędzy nimi.
Rozmiary domen różnych faz mogą być duże, widoczne nawet
gołym okiem (makrostruktura) lub bardzo małe widoczne dopiero
przy znacznych powiększeniach – obserwacje mikroskopowe.
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 7
Mikrostruktura wpływa na własności materiału
Czynniki wpływające na mikrostrukturę:
- polimorfizm (alotropia) różnych materiałów (ta sama
substancja może przyjmować różną strukturę krystaliczną –
wpływ temperatury)
- ograniczona mieszalność składników (zależna od
temperatury), co wpływa na formowanie się różnych faz
- sterowanie zewnętrznymi bodźcami (obróbka cieplna,
cieplno-chemiczna lub cieplno-mechaniczna) pozwala
blokować na określonym etapie przemiany fazowe (stan
metastabilny materiału), co z kolei pozwala kształtować
mikrostrukturę.
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 8
4
17.03.2025
Czyste żelazo
Żelazo jest pierwiastkiem alotropowym i przyjmuje dwie struktury krystaliczne:
Ferryt – struktura regularna przestrzennie centrowana (RPC)
Występuje poniżej temperatury 912 ⁰C oraz
powyżej 1394 ⁰C.
Temperatura topnienia 1538 ⁰C.
Austenit – struktura regularna ściennie centrowana (RSC)
Występuje pomiędzy 912 ⁰C a 1394 ⁰C.
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 9
Fazy żelaza występujące w stalach
Stal – stop żelaza z węglem (do 2.11%), może zawierać dodatkowe pierwiastki
stopowe. Stal niezawierająca dodatków stopowych nazywania jest stalą
węglową lub niestopową.
Faza α (ferryt)
- międzywęzłowy roztwór węgla w żelazie o strukturze RPC,
rozpuszczalność węgla w ferrycie jest bardzo mała:
maks. rozpuszczalność w temp. 727 ⁰C wynosi 0.022%,
w temp. otoczenia rozpuszczalność wynosi 0.008%.
Faza γ (austenit) - międzywęzłowy roztwór węgla w żelazie o strukturze RSC,
rozpuszczalność węgla w austenicie jest dużo większa:
maks. rozpuszczalność w temp. 1148 ⁰C wynosi 2.11%.
Cementyt (Fe3C) - węglik żelaza, zawartość węgla
w węgliku wynosi 6.67% (25 at%),
krystalizuje w strukturze rombowej,
bardzo twardy i kruchy.
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 10
5
17.03.2025
Układ (diagram fazowy)
Fe-Fe3C
L
Perlit
Składnik strukturalny często występujący w stali będący mieszaniną ferrytu
i cementytu w formie naprzemiennie ułożonych płytek. Obszary, w których
płytki są równoległe do siebie nazywane są koloniami.
Perlit powstaje z austenitu w wyniku przemiany eutektoidalnej
w temperaturze poniżej 727 ⁰C (A1).
Czysta struktura perlityczna tworzy się
tylko dla stali o zawartości węgla 0.77%
Perlit zawiera 87.5% ferrytu i 12.5%
cementytu.
Austenit o zawartości węgla 0.77% jest
eutektoidem (stopem o takim składzie,
który ma najniższą temperaturę
stabilności).
Stale o zawartości węgla mniejszej od 0.77% nazywane są stalami
podeutektoidalnymi, a stale o większej zawartości węgla nadeutektoidalnymi.
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 12
6
17.03.2025
Mikrostruktura stali niestopowej a zawartość węgla
Obrazy
mikrostruktury
z mikroskopu
świetlnego.
Cementite
Mikrostruktury
powstałe przy
powolnym
chłodzeniu.
Pearlite
Stal podeutektoidalna 0.4% C
20 μm
Stal nadeutektoidalna 1.4% C
Schematyczne przedstawienie mikrostruktur w zależności od zawartości węgla
ferryt (α)
stężenie C
poniżej granicy
rozpuszczalności
α + perlit
stężenie C
< 0.77%
perlit
stężenie C
= 0.77%
perlit + Fe3C
stężenie C
> 0.77%
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 13
Układ Fe-Fe3C
L
7
17.03.2025
Obróbka cieplna stali
Proces technologiczny mający na celu uzyskanie pożądanych własności stali
(np. zwiększenia twardości lub zwiększenia plastyczności itp.) poprzez
uzyskanie odpowiedniej mikrostruktury.
Podstawowe rodzaje obróbki cieplnej:
 cieplna właściwa,
 cieplno-mechaniczna,
 cieplno-chemiczna.
Przebieg obróbki cieplnej właściwej:
1. Nagrzanie stali z określoną prędkością
do zadanej temperatury,
2. Wygrzanie w tej temperaturze
przez pożądany czas,
3. Schłodzenie z zadaną prędkością do
określonej temperatury.
Obróbka cieplna może składać się
z jednego cyklu nagrzewaniawygrzewania-chłodzenia lub z wielu
takich różnych cykli.
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 15
Wykres CPT (Czas – Przemiana – Temperatura)
Graficzna reprezentacja kinetyki procesów przemian fazowych
w materiałach (np. stali) w zależności od szybkości zmiany temperatury.
Uproszczony schemat wykresu CPTi dla stali niestopowej:
Ms – początek przemiany
martenzytycznej
Mf – koniec przemiany
martenzytycznej
1 – krzywa krytycznej
prędkości chłodzenia
2 – krzywa prędkości
chłodzenia większej
od prędkości krytycznej
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 16
8
17.03.2025
Wykresy CPT (Czas – Przemiana – Temperatura)
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 17
Przemiana martenzytyczna
Gdy austenit jest chłodzony w sposób ciągły z prędkością większą od prędkości
krytycznej to w przechłodzonym austenicie nie dochodzi do początku
przemiany w ferryt i cementyt.
Po osiągnięciu temperatury Ms rozpoczyna się przemiana fazowa austenitu
w martenzyt (przemiana bezdyfuzyjna), która jest kontynuowana aż do
osiągnięcia temperatury Mf .
Martenzyt (faza metastabilna) jest przesyconym roztworem węgla w ferrycie.
Ma strukturę tetragonalną przestrzennie centrowaną.
Objętość martenzytu jest o ok. 4% większa od austenitu co powoduje
powstanie dużych naprężeń. Powstałe naprężenia blokują całkowitą
przemianę austenitu w martenzyt. W efekcie pozostaje austenit szczątkowy.
Austenit
→
Martenzyt
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 18
9
17.03.2025
Bainit
Składnik strukturalny występujący w stali, powstający z rozpadu niestabilnego
austenitu poniżej temperatury tworzenia się perlitu a powyżej temperatury
tworzenia się martenzytu MS – w przemianie bainitycznej (częściowo dyfuzyjnej).
Jest to metastabilna mieszanina
przesyconego węglem ferrytu i węglików.
Bainit górny o gorszych własnościach
mechanicznych – słabe własności
wytrzymałościowe, słaba odporność na
pękanie i słaba ciągliwość, które można
poprawić przez odpuszczanie. Twardy,
ale mniej od bainitu dolnego.
Bainit dolny o lepszych własnościach
mechanicznych od górnego.
Mikrostruktura podobna do martenzytu.
Bainit dolny
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Bainit górny
Slajd nr 19
Hartowanie stopów żelaza
Celem tej obróbki cieplnej jest polepszenie parametrów mechanicznych stali:
zwiększenie twardości i wytrzymałości.
Przebieg hartowania:
Wygrzewanie stali podeutektoidalnej (< 0.77 % C) w temperaturze powyżej A3
a stali nadeutektoidalnej powyżej temperatury A1 (ok. 30-50 ⁰C powyżej).
Po zakończeniu procesu austenityzowania stali jej schłodzenie z szybkością
większą od krytycznej.
A3
γ
Acm
γ + Fe3C
Temperatury austenityzowania
przed hartowaniem
A1
Fragment układu Fe – Fe3C
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 20
10
17.03.2025
Odpuszczanie
Obróbka cieplna, której się zawsze poddaje stal zahartowaną. Jej celem jest:
 zmniejszenie naprężeń hartowniczych
 podniesienie udarności (kosztem zmniejszenia twardości).
Stosuje się 3 rodzaje odpuszczania:
1. Niskie - od 150 do 250 ⁰C – zmniejszenie naprężeń hartowniczych – duża
część martenzytu zostaje zachowana (martenzyt odpuszczenia) oraz tworzy
się węglik ε-Fe2C – duża twardość – stale narzędziowe,
2. Średnie – od 250 do 500 ⁰C – znaczne obniżenie twardości, zapewnienie
dobrej wytrzymałości i sprężystości – zanika martenzyt, powstaje
przesycony węglem ferryt, dalsze tworzenie węglików ε (powstaje struktura
bainityczna) – sprężyny, resory, części maszynowe odporne na uderzenia
(młoty), elementy broni maszynowej,
3. Wysokie – od 500 do 650 ⁰C – jeszcze większe obniżenie twardości,
zwiększenie wytrzymałości – całkowite wydzielenie węgla z ferrytu,
przemiana węglika ε w cementyt, mieszanina ferrytu z cementytem
(troostyt bliżej 500 ⁰C) , koagulacja cementytu, mieszanina ferrytu
z cementytem (sorbit bliżej 650 ⁰C) – stal przeznaczona do obróbki
skrawaniem.
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 21
Hartowanie + odpuszczanie
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 22
11
17.03.2025
L
Układ
Fe-Fe3C
i
Fe-C (grafit)
12
17.03.2025
Ćwiczenie - materiał poddawany obróbce cieplnej
Stal C45 (1.0503)
Stal węglowa, niestopowa jakościowa.
Dobrze obrabialna, do obróbki cieplnej, dobrze hartowalna, trudno spawalna.
Popularna, stosowana do budowy części maszyn i narzędzi, które podlegają
średnim obciążeniom i są odporne na ścieranie, np.:
wałów, wrzecion, osi, niehartowanych kół zębatych, wałów silników
elektrycznych, noży zwykłych, korkociągów, piast do kół, tarczy, drążków,
walców, wirników pomp, form w przetwórstwie tworzyw sztucznych,
narzędzi do obróbki drewna, części pomocniczych narzędzi jak podstawy.
C
0,42
0,50
Si
0,10
0,40
Mn
0,50
0,80
Cr
max
0,30
C45 (1.0503) – skład chemiczny [%]
V
Ni
Mo
Cu
S
–
max
max
max
max
–
0,30 0,10 0,30 0,04
P
max
0,04
W
–
–
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Al
–
–
Slajd nr 25
Ćwiczenie – temperatury wygrzewania
γ
850 ⁰C
γ + Fe3C
750 ⁰C
650 ⁰C
0.45
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 26
13
17.03.2025
Próbki i przebieg ćwiczenia
Czas wygrzewania 15 min. Czas odpuszczania 20 min. Chłodzenie w wodzie.
Nr próbki
Wygrzewanie
Odpuszczanie
Pomiar twardości
1
650 ⁰C
-
3 x – obliczenie średniej
2
750 ⁰C
-
3 x – obliczenie średniej
3
850 ⁰C
-
3 x – obliczenie średniej
3’
850 ⁰C
300 ⁰C
3 x – obliczenie średniej
4
850 ⁰C
500 ⁰C
3 x – obliczenie średniej
5
850 ⁰C
650 ⁰C
3 x – obliczenie średniej
6
nie
-
3 x – obliczenie średniej
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 27
Badania twardości
Twardość - miara umowna, określa odporność materiału na powstanie
odkształcenia trwałego (plastycznego) wskutek oddziaływania na jego
powierzchnię innego twardszego przedmiotu – wgłębnika.
Metody pomiaru twardości dzielą się na:
 statyczne - polegają na powolnym wciskaniu wgłębnika w materiał przy
działaniu stałej lub stopniowo wzrastającej siły do określonej wartości
 dynamiczne - polegają na uderzeniowym oddziaływaniu twardego
elementu na powierzchnię badanego materiału, są mniej dokładne i mniej
jednoznacznie określone w porównaniu do metod statycznych, używane są
rzadziej.
Podstawowe metody statyczne:
1. Brinella – wciskanie kulki z węglików spiekanych – miarą twardości jest
stosunek siły do pola powierzchni odcisku,
2. Vickersa – wciskanie ostrosłupa diamentowego – miarą twardości jest
stosunek siły do pola odcisku,
3. Rockwella – wciskanie kulki z hartowanej stali lub stożka diamentowego –
miarą twardości jest głębokość odcisku.
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 28
14
17.03.2025
Metoda Rockwella
Badania twardości metodą Rockwella określa norma PN-EN ISO 6508-1.
Zasada metody - dwustopniowe wciskanie stożka diamentowego o kącie
wierzchołkowym 120 lub hartowanej kulki stalowej o średnicy 1.588 mm
(1/16 cala) lub 3.175 mm (2/16 cala).
Stożek
F0 – obciążenie wstępne, wciska wgłębnik do głębokości h0 – linia odniesienia
F1 – obciążenie główne, F0 + F1 wciska wgłębnik na głębokość h1
Po odciążeniu F1 (F0 pozostaje) wgłębnik cofa się nieco (o część sprężystą
odkształcenia) i pozostaje w położeniu na głębokości h0 + e
e - trwały przyrost głębokości (związany z odkształceniem plastycznym)
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 29
Metoda Rockwella
Stożek
K = 100 jednostek
0.2 mm
h0
e
h1
K – stała = 100 jednostek dla stożka lub 130 jednostek dla kulki
0.2 mm – maksymalny przyrost głębokości odcisku e dla stożka
0.26 mm – maksymalny przyrost głębokości odcisku e dla kulki
Te maksymalne głębokości są podzielone na jednostki o grubości 0.002 mm.
e – podaje się w jednostkach 0.002 mm
Twardość określa wzór HRX = K – e (liczba bez jednostek)
X = A, B, C, D, E, F .... – symbol skali zależny od wgłębnika i obciążenia.
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 30
15
17.03.2025
Metoda Rockwella
0.26 mm
Kulka
h0
e
h1
K = 130 jednostek
0.26 mm
h0
e
h1
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 31
Skale twardości Rockwella
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 32
16
17.03.2025
Zakresy skal twardości Rockwella
Zalety i wady metody Rockwella
Szybkość i łatwość pomiaru,
Bezpośredni odczyt,
Stosunkowo małe odciski,
Wstępne obciążenie eliminuje
wpływ niedoskonałości
powierzchni.
Wiele skal twardości
Brak możliwości pomiaru twardości
cienkich wyrobów oraz cienkich
warstw wierzchnich (nawęglanych,
azotowanych itp.)
Podstawy nauki o materiałach – ćw. lab. nr 2: Obróbka cieplna stali – dla studentów WIMiR
Slajd nr 33
17