TRANSFORMĂRI STRUCTURALE LA REVENIREA OȚELULUI 40Cr10 [303898]

Top of Form

TRANSFORMĂRI STRUCTURALE LA REVENIREA OȚELULUI 40Cr10

Bottom of Form

Capitolul 1. Oțeluri. [anonimizat] 2,11%. [anonimizat] 2,11% C se numesc fonte. Oțelurile sunt materialele cu cea mai largă utilizare în industrie. [anonimizat].

1.1 Clasificarea oțelurilor:

Având o [anonimizat]:

1.1.1 După compoziția chimică:

oțeluri carbon (nealiate), care conțin Fe, C și elemente însoțitoare permanente:

Mn<0,80%; Si<0,5%; S<0,055%; P<0,045%; Cu<0,030%;

[anonimizat]: oțeluri: necalmate cu

<0,07 %Si; semicalmate cu 0,07 – 0,17 %Si; calmate cu > 0,17 %Si; calmate, dezoxitate suplimentar cu Al;

[anonimizat], C, și elemente însoțitoare permanente conțin

elemente de aliere: Si>0,5%, Mn>0,8%, Al>0,1%, Cr, Ni, Mo, W, V, Ti.

După gradul de aliere acestea pot fi: [anonimizat] 2,5%; [anonimizat] 2,5 la 10% elementelor de aliere; [anonimizat] 10% elementelor de aliere.

1.1.2 După structura de echilibru:

recoaptă, obtinuță prin răcirea lentă în cuptor (pentru oțeluri carbon și aliate)

după structura în stare normalizată (forjată sau laminată), rezultată prin încălzire la

900-950˚C și răcire în aer ( numai pentru oțeluri aliate).

1.1.3. După duritate:

oțeluri extramoi sub 0,1% C;

oțeluri moi cu 0,1-0,25% C;

oțeluri semimoi cu 0,25-0,4% C;

oțeluri semidure cu 0,4-0,6% C;

oțeluri dure cu 0,6-0,7% C;

oțeluri foarte dure cu 0,7-0,8% C;

oțeluri extradure peste 0,8% C. [1]

După destinație:

[anonimizat], [anonimizat];

[anonimizat];

[anonimizat], [anonimizat], medii agresive sau care au proprietați fizice deosebite ([anonimizat], magnetice, electrotehnice, pentru magneți permanenți).

Oțeluri de constructie. În funcție de posibilitatile de obținere a semifabricatelor pentru executarea pieselor se împart în:

A. Oțeluri deformate la cald;

B. Oțeluri turnate.

Oțelurile deformate la cald sunt oțeluri folosite la construcția celor mai diverse piese.

[anonimizat], tragere, [anonimizat], extrudare la cald.

Aceste oțeluri se impart în trei subgrupe:

oțeluri cu destinație generală neprecizată;

oțeluri cu destinație generală precizată;

oțeluri cu destinație specială.

Oțeluri de construcție cu destinație generală neprecizată.

Sunt oțeluri nealiate sau aliate ce se folosesc la confecționarea pieselor destinate unor domenii foarte diferite. Ele se grupeaza astfel:

Oțeluri de uz general pentru construcții. Sunt cuprinse în STAS 500-80, cunoscute și sub denumirea oțel carbon obișnuite. Sunt cele mai utilizate oțeluri.

Simbolul lor este constituit din literele OL urmate de un grup de cifre ce indică rezistența la tractiune în daN/mm Se elaborează în patru clase de calitate:

clasa 1 indică caracteristică de îndoire și de tracțiune la rece;

clasa 2 indică în plus energia de rupere la +20 oC;

clasa 3 indică în plus energia de rupere la 0 oC;

clasa 4 indică în plus energia de rupere la -20 oC. [1]

În simbol pot să apară și literele K (calmat), S (semicalmat), N (necalmat).

Exemple: OL 32, 34, 37, 42, 52, 60, 70 sau OL 4 K.

Oțelurile carbon de calitate pentru tratament termic destinate construcțiilor de mașini. Aceste oțeluri sunt cuprinse în STAS 880-80, sunt oțeluri nealiate folosite numai cu tratament termic sau termo-chimic. Se consideră oțel carbon de calitate, oțelurile care corespund obligatoriu unor condiții suplimentare mai severe pentru verificarea calității decât acelea prescrise oțelului carbon obișnuit.

Se simbolizează prin grupul de litere OLC urmat de un grup de cifre ce indică conținutul de carbon în sutimi de procent. La sfârșitul simbolului mai poate aparea litera X sau S, acesta indicând garantarea în plus a unui conținut mai mic de impurități precum și condiții referitoare la structură. Sunt supuse tratamentului termic de cementare dacă au conținut în carbon sub 0,2% sau tratamentul termic de îmbunătățire (călire + revenire) dacă are carbon peste 0,2%. Exemple: OLC 10; 15; 20; 25; 35; 45; 55; 60.

Oțeluri aliate pentru tratamentul termic destinate construcțiilor de mașini.

Sunt cuprinse în STAS 791-80. Oțelurile aliate au în compoziție unul sau mai multe elemente de aliere introducându-se în scopul obținerii unor proprietăți deosebite. Frecvent elementele de aliere folosite sunt: cromul, manganul, titaniul, vanadiul, wolframul, siliciu.

În functie de gradul de aliere, aceste oțeluri se grupează în :

oțeluri slab aliate (cu până la 5% elemente de aliere);

oțeluri mediu aliate (E. A. între 5 și 10%);

oțeluri înalt aliate (E. A. peste 10%).

Simbolizarea oțelurilor aliate se face de regulă cu ajutorul unor simboluri complexe alcătuite din litere și cifre astfel:

un grup de cifre ce arată conținutul de carbon în sutimi de procent;

un grup de simboluri ale elementelor de aliere din oțel, care sunt trecute în

ordinea importanței lor, de la inferior la superior;

un ultim grup de cifre ce indică conținutul în zecimi de procent al principalului

element de aliere, care este trecut ultimul simbol. Exemplu: 35 Mn 16 oțel aliat cu mangan, conținând 0,35% C și 1,6% Mn. [1]

Oțeluri de construcție cu destinație generală precizată

Aceste oțeluri au un domeniu îngust de utilizare, uneori denumirea materialului arată clar și domeniul de utilizare. Din această categorie de oțeluri fac parte:

Oțeluri rezistente la coroziune atmosferică

Sunt cuprinse în STAS 500/3 și sunt de fapt oțeluri de uz general pentru construcții metalice lucrând neprotejate în atmosferă obișnuită. Există mărci de tipul RCA 37 sau RCB 52, în care litera B în loc de A indică un conținut de P sub 0,02%, generează comportarea mecanică superioară a oțelului, iar ultima cifră indică garantarea suplimentară a unor precipitații mecanice ca și celelalte tipuri de oțeluri cuprinse în STAS 500-80.

Oțeluri inoxidabile și refractare

Sunt oțeluri cu mare rezistență la oxidare și o bună refractaritate, datorită faptului că au puțin carbon, sunt aliate cu Cr și Ni în procent de peste 10%. Se simbolizează similar cu oțelurile aliate pentru tratament termic destinate construcțiilor de mașini.

Exemplu: 15 NiCr 200, 2 MoNiCr 175. Sunt cuprinse in STAS 11523-80.

Oțeluri pentru arcuri

Pot fi oțeluri carbon sau oțeluri aliate. În ambele cazuri se remarcă în finalul simbolului litera A. Exemplu: OLC 55 A, OLC 65 A, OLC 75 A, în care cifrele au semnificația celor de la oțelurile carbon de calitate pentru tratament termic: 51 Si 17 A, 51 VCr 10 A, 40 Si 17 A, cu simbolizarea specifică oțelurilor aliate.

Oțeluri pentru automate (STAS 136-80)

Sunt destinate prelucrării pe mașini unelte automate pentru așchierea metalelor. Se simbolizează cu AUT și un grup de cifre ce simbolizează conținutul de carbon în sutime de procent. Exemplu: AUT 12, AUT 30, AUT 40 Mn. Elementul Mn se introduce cu scopul de a îmbunătăți prelucrabilitatea prin așchiere si călibilitatea oțelului.

În masa materialului se mai poate preciza starea suprafeței oțelului, prin simbol literal adăugat la sfârșitul mărcilor, de exemplu AUT 30 L-laminat la cald, sau C-cojit, sau T-tras la rece. [1]

Oțeluri pentru rulmenți

Pentru rulmenții obișnuiti STAS 1456/1-80 precizează mărcile RUL 1 sau RUL 2 la care se pot adauga precizările simbolice pentru starea suprafetei barelor de tipul: B1-laminat, recopt; B2-cojit; B3-recopt, tras; A1-laminat; A2-recopt și cojit; C1-cojit și netezit; C2-tras recopt; C3-șlefuit. Pentru oțeluri de rulmenți, turnat în vid, STAS 11250-80, se precizează mărcile RUL 1V și RUL 2V, putând impune condiții suplimentare pentru starea suprafeței, conform celor de mai sus. Exemplu: RUL 2V-A.

Sârme de oțel pentru sudare

STAS 1126-80 prevăd mărci de oțeluri carbon si aliate, fabricată sub forma calibrată, folosită ca material de adaos la sudarea sub strat de flux și sub mediu protector de gaze.

Exemplu: S 21 MoCr 170. Primele cifre prezintă sutimi de procent de carbon iar celelalte cifre prezintă procente ale elementelor de aliere.

B. Oțeluri turnate

Această categorie cuprinde oțeluri aliate sau nealiate destinate fabricării sculelor folosite în diverse domenii de activitate: scule așchietoare, scule pentru deformare la cald sau la rece, scule pentru industria lemnului, scule pentru industria ușoară, scule pentru industria alimentară. În această grupă intră:

oțel carbon pentru scule (STAS 1700-30). Sunt oțeluri cu conținut de carbon de peste

0,7% și sunt oțeluri cu cel mai scazut preț de cost. Simbol: OSC 7…OSC 13;

oțeluri aliate pentru scule (STAS 3611-88). Sunt oțeluri aliate cu crom, siliciu,

wolfram,vanadiu, molibden. Exemple de mărci: 10 VmoCr 52, 205 Cr 115. Se remarcă același mod de simbolizare ca la oțelurile aliate de construcție;

oțeluri rapide pentru scule (STAS 7382-80). Sunt oțeluri înalt aliate cu Co, Mo, W si

au proprietatea că iși păstrează duritatea până la temperaturi înalte. Simbol: Rp-rapid, cifrele indică ordinea din STAS. Exemple: Rp 1, Rp 3, Rp 5, Rp 9, Rp 10;

oțeluri pentru scule destinate prelucrării materialelor nemetalice. Pot fi oțeluri carbon

sau înalt aliate cu crom. Simbol: OSL 1 – OSL 5.

Cele mai importante proprietăți ale oțelului sunt tenacitate și durabilitate înaltă, rezistență la rupere și limită la curgere și conductivitate termică bună. Pe lângă aceste proprietăți importante cel mai caracteristic pentru proprietățile de oțel inoxidabil este rezistența la coroziune.

Proprietățile mecanice ale oțelului pot fi atent controlate prin selectarea unei compoziții chimice corespunzătoare, prin prelucrare și tratament termic, care duce la microstructura sa finală.

Aliajele și tratamentul termic folosit în producția de oțel rezultă în valori de proprietate și puncte forte diferite și testarea trebuie efectuată pentru a stabili proprietățile finale ale unui oțel și pentru a asigura respectarea standardelor respective.

Există multe sisteme de măsurare folosite pentru a defini proprietățile unui anumit oțel. De exemplu, limita de curgere, ductilitatea și rigiditatea sunt determinate folosind testarea prin tracțiune. Puterea este măsurată prin testare cu impact; și duritatea este determinată prin măsurarea rezistenței la penetrarea suprafeței de un obiect greu.

Încercarea la tracțiune este o metodă de evaluare a răspunsului structural a oțelului la sarcinile aplicate, cu rezultatele exprimate ca o relație între tensiune și deformație.

Proprietățile fizice ale oțelului sunt legate de fizica materialelor, cum ar fi densitate, conductivitate termică, modulul elastic, coeficientul Poisson. Unele valori tipice pentru proprietățile fizice ale oțelului sunt:

Densitatea ρ = 7.7 ÷ 8.1 [kg/dm3];

Modulul elastic E=190÷210 [GPa];

Coeficientul Poisson ν = 0.27 ÷ 0.30;

Conductivitate Termică κ = 11.2 ÷ 48.3 [W/mK];

Dilatare termică α = 9 ÷27 [10-6 / K] [1]

Capitolul 2. Tratamente termice

2.1 Clasificarea tratamentelor

Modificarea proprietatilor unui material metalic, în urma unui tratament termic prezintă un caracter remanent. Tratamentul termic se aplică unui material cu scopul apropierii structurii de stare de echilibru, sau pornind de la o stare apropiată de echilibru și în urma transformărilor structurale, structura materialului metalic este adusă într-o stare în afara de echilibru.

Rezultă deci, ca un tratament termic poate modifica echilibrul fizico-chimic, natura fazelor, structura și starea de tensiuni a materialului metalic. Principalele tratamente termice aplicate materialelor metalice sunt: recoacerile, călirea, revenirea, normalizarea, îmbunătățirea și tratamentele termochimice.

Scopul tratamentelor termice este obtinerea unor anumite structuri, care să dea produsului proprietățile dorite , fără a schimba forma piesei și starea de agregare a piesei. [2]

Tratamente termice finale aplicabile oțelurilor

Călirea oțelurilor

Condiția de bază pentru obținerea unei structuri corespunzătoare după călirea unui oțel este formarea la încălzire a unei structuri cât mai omogenă din punct de vedere chimic și cu granulație cât mai fină și mai uniformă; în afară de acestea, se mai pun condiții în ceea ce privește oxidarea și decarburarea suprafeței produsului la încălzire.

Principalii parametri ai călirii sunt: temperatura de încălzire, durata de menținere la temperatura de încălzire și viteza de răcire; în funcție de compoziția chimică a oțelului, starea structurală anterioară călirii și dimensiunile semifabricatelor, viteza de încălzire poate juca un rol mai mult sau mai putin important.

Temperatura de încălzire se alege în funcție de următorii factori:

compoziția chimică;

condițiile de răcire;

tipul, forma și dimensiunile produselor.

În cazul otelurilor carbon, temperatura de încalzire se alege cu ajutorul diagramei de echilibru.(Fig.1.1). [4]

Oțelurile de îmbunătățire (0,25-0,65% C) și, în general, oțelurile hipoeutectoide se supun călirii complete. În consecință, temperatura de încălzire pentru călire va fi situata cu 20-40 0C peste temperatura corespunzatoare punctului Ac3, deci Tc41 – Ac3 + (20 – 40°C), valorile minime fiind recomandate pentru piesele subțiri și laturile mici, iar cele superioare pentru piese groase și laturi mari. În cazul oțelurilor eutectoide și hipereutectoide, temperatura de încălzire se alege conform relației Tc« – Aci + (20 – 40°C).

Alegerea temperaturilor de încălzire în funcție de conținutul de carbon al oțelului (austenitei) se face ținând cont de necesitatea obținerii în structură, pe cât posibil, numai a martensitei (eventual și a cementitei secundare la oțelurile hipereutectoide) și evitarea obținerii de ferită (oțeluri hipoeutectoide) sau austenita reziduală (oțeluri hipereutectoide).

În cazul oțelurilor hipoeutectoide, încălzirea între Ac1 și Ac3 ar avea ca rezultat o călire incompletă, structura fiind alcătuită din martensită și ferită rămasă netransformată în austenită, la încălzirea pentru călire.

Această structură are duritate insuficientă și conduce la înrăutățirea proprietăților mecanice după revenire. De aceea, încălzirea peste Ac3 este obligatorie pentru oțelurile hipoeutectoide. Păstrarea în structura de călire alături de martensită a carburilor secundare

(de formă globulară, fine și uniform dispersate, obținute prin tratamentul termic de globulizare) nu numai că nu dăunează, ci influențează favorabil în sensul măririi rezistenței la uzură. Încălzirea la temperaturi peste Accem a oțelurilor hipereutectoide este neindicată din următoarele considerente: favorizează creșterea granulației austenitice și decarburarea; conduce la micșorarea durității ca urmare a prezenței austenitei reziduale, duce la formarea unei martensite grosolane (cu proprietăți mecanice reduse), mărește pericolul
de deformare și fisurare ca urmare a creșterii tensiunilor prin călire de la
temperaturi mai înalte.

Pentru oțelurile de construcție slab aliate, temperatura de încălzire se stabilește în funcție de valoarea punctului Ac3, determinat pe cale dilatometrică. Pentru oțelurile aliate cu conținuturi ridicate de carbon și elemente de aliere la alegerea temperaturii de călire, trebuie să se aibă în vedere atât temperaturile punctelor Ac1 și Accem precum și influența directa pe care o are temperatura de încălzire asupra adâncimii de pătrundere a călirii (durității) și proporției de austenită reziduală, care se obține în probe de diferite dimensiuni, în anumite condiții.(Fig.1.2) [4]

În funcție de temperatura de încălzire pentru călire, la o sculă cu diametrul de 20 mm, din oțel cu 1% C, aliat cu crom, wolfram și vanadiu conform fig.1.3.

1 – duritatea la suprafață;

2 – duritatea in centru;

3 – duritatea la răcire in ulei;

4 – duritatea la răcire in topituri de săruri. [4]

Revenirea oțelurilor

_

Structura obținută prin călire martensitică, caracterizată prinduritate ridicată dar si fragilitate mare, nu asigură decât în anumite cazuri (scule sau piese rezistente la uzare) proprietățile necesare produsului căruia i s-a aplicat acest tratament termic. Pieselor călite la martensită li se aplică tratamente de revenire, care au scopul fie de a detensiona produsul călit (revenire joasă), fie de a produce transformări structurale, prin care să se obțină modificări convenabile ale caracteristicilor mecanice: creșterea plasticității și a tenacității, micșorarea durității, înlăturarea sensibilă a tensiunilor interne (revenire medie sau revenire înaltă).

După temperaturile și transformările care au loc în piesele călite
martensitic, revenirile se clasifică în:

a) revenirea joasă, până la temperatura de 200°C, reprezintă primul stadiu și se distinge prin separarea din martensită a unor particule de carburi (carbura s) cu un grad înalt de dispersie, care se găsesc în echilibru cu masa de bază. În jurul acestor carburi apar zone de soluție solidă cu conținut mai scăzut în carbon decât al martensitei astfel că structura este alcătuită din două soluții solide, cu concentrații distincte de carbon și carburile precipitate.

Viteza procesului de descompunere a martensitei se caracterizează prin durata demidescompunerii, adică timpul necesar pentru trecerea unei jumătăți din soluția solidă suprasaturată inițială în soluția solidă cu conținut mai scăzut de carbon.

b) revenirea medie are loc în intervalul de temperaturi 300-450 °C. Procesul de transformare din acest stadiu se caracterizează prin separarea treptata a carbonului din soluție solidă, creșterea particulelor de carburi și coagularea acestora prin dizolvarea celor de dimensiuni mai mici și creșterea celor de dimensiuni mai mari. La temperaturi cuprinse între 200-300 °C, martensita reprezinta inca o solutie a, cu un anumit grad de suprasaturare (la 250 °C, 0,06% 0C), în care sunt distribuite particule fine disperse de carburi. La temperaturi cuprinse între 300-450 °C, se produce o creștere accentuata a particulelor de carburi; până la 350 °C se pastrează coerență dintre carburile precipitate și masa de bază, însă pe această temperatura se pierde coerentă. Procesele, care se produc în acest stadiu ale revenirii, au ca efect scăderea durității oțelului, fenomenul accentuat în stadiul de coalescență. Concomitent cu scăderea de duritate are loc și scăderea proprietăților de rezistență, dar se îmbunătățesc cele de plasticitate si tenacitate.

Produsul revenirii medii este troostita de revenire, amestec mecanic fin alcătuit din soluția solidă a cu un anumit grad de suprasaturare în carbon și precipitări de cementită secundară, fine și statistic repartizate în masa de bază.

c) revenirea înaltă are loc în intervalul de temperaturi 450-600 0C și este caracterizată prin procese intense de coalescență și globulizare a carburilor. La menținerea izotermă la temperatura T, viteza procesului de coalescență variază în timp potrivit relației:

r =AeB/T,

unde t, este timpul necesar pentru a se realiza un anumit timp de coalescență, iar A și B două constante. Viteza procesului se micșorează cu timpul pe măsură ce se produce o coalescență tot mai avansată a carburilor, astfel că, cu cât structura formată anterior este mai fină, cu atât mai mare este viteza de coalescență. Produsul revenirii înalte este sorbită, amestec mecanic alcătuit din ferită și cementită secundară, care imprimă materialului proprietăți de plasticitate și tenacitate, însă reduce duritatea și proprietățile mecanice de rezistență. [4]

Capitolul 3. Oțelul 40Cr10. Structură, proprietăți și tratamente termice.

Prezentul standard se referă la oțelurile aliate, prelucrate prin deformare plastică, folosite în stare tratată termic sau termochimic, la temperatură ambiantă , în construcția de mașini, având condițiile tehnice generale de calitate conform STAS 791/88.

Tabel 1.Compoziția chimică a oțelului 40Cr10 conform STAS 791/88 [3]

Mărcile de oțel din prezentul standard sunt destinate executării organelor de mașini și pieselor tratate termic, cu adâncimea de călire garantată conform curbei de călibilitate a mărcii respective.

Principalele domenii de utilizare ale acestui oțel sunt :

roți de antrenare;

arbori;

tije de pistoane;

discuri de fricțiune;

organe de asamblare.

Caracteristici mecanice ale oțelului 40Cr10

Diametrul probei de tratament termic de referință: 25 mm;

Felul tratamentului termic: CR;

Limita de curgere: 780Rp0.2N/mm2 min;

Rezistența la rupere: 980RmN/mm2;

Alungirea la rupere: 10 A5 0/0 min;

Gâtuirea la rupere: 45 Z0/0 min;

Reziliența: 58 KCU 300 J/mm2;

Duritatea Brinell în stare recoaptă: 217 HB max. [3]

Indicații pentru deformarea plastică la cald:

forjare liberă și laminare: 1180……800 0C

forjare în matriță: 1150……900 0C [3]

În tabelul 2 sunt prezentate tratamentele termice aplicabile oțelului 40Cr10.

Tabel 2. Tratamente termice aplicabile oțelului 40Cr10 [3]

În tabelul 3 sunt prezentate tratamentele termice finale.

Tabel 3. Tratamente termice finale [3]

Capitolul 4. Metode de investigare.

Spectroscopia de emisie optică OES

Spectrometria de emisie optică implică aplicarea energiei electrice sub formă de scânteie generată între un electrod și o probă de metal, prin care atomii vaporizați sunt admiși la o stare de energie înaltă într-o așa-numită "plasmă de descărcare".

Acești atomi și ioni excitați în plasma de descărcare de gestiune creează un spectru unic de emisie specific fiecărui element, după cum se arată în dreapta. Astfel, un singur element generează numeroase linii spectrale de emisie caracteristice.

Prin urmare, lumina generată de descărcare poate fi considerată a fi o colecție a liniilor spectrale generate de elementele din eșantion. Această lumină este împărțită printr-o rețea de difracție pentru a extrage spectrul de emisie pentru elementele țintă. Intensitatea fiecărui spectru de emisie depinde de concentrația elementului din eșantion. Detectoarele (tuburi fotomultiplicatoare) măsoară prezența sau absența sau prezența spectrului extras pentru fiecare element și intensitatea spectrului pentru a efectua analiza calitativă și cantitativă a elementelor. [9]

În sens larg, spectrometria de emisie optică include spectrometria de emisie optică ICP, care utilizează o plasmă cuplată inductiv (ICP) ca sursă de excitație. Cu toate acestea, termenii "spectrometrie de emisie optică" și "spectrometrie de emisie optică fotoelectrică" se referă în general la spectrometria de emisie optică utilizând descărcarea cu scânteie, descărcarea cu arc de curent direct sau descărcarea cu descărcare pentru generarea descărcării excitației.

Spectrometrele de emisie optică Shimadzu prezintă analiza distribuției pulsului (PDA) pentru a spori reproductibilitatea măsurătorii (precizia). Această metodă implică prelucrarea statistică a spectrelor de emisie generată de impulsuri scânteie obținute din descărcările de scântei într-o atmosferă de argon. Spectrometrul de emisie optică oferă o analiză elementară rapidă a probelor metalice solide, ceea ce îl face indispensabil pentru controlul calității proceselor de producere a oțelului și al metalurgiei aluminiului.

SPECTROMAXx(fig.1.6) este unul dintre cei mai de succes analizatori de metale OES de pe piață, cu mii de instalări la nivel mondial. Toate elementele importante întâlnite în industria metalelor pot fi determinate cu SPECTROMAXx, incluzând urme de carbon, fosfor, sulf și azot – SPECTROMAXx poate măsura azotul până la 10 ppm. Extinderea probelor este controlată digital, oferind condiții de plasmă definite exact și precizie analitică mai bună. Sunt disponibile și o serie de adaptoare speciale pentru eșantioane mici. Stația de scânteiere a fost optimizată pentru un consum scăzut de argon, dar un nou modul de economisire a argonului ia în continuare acest lucru: instrumentul nu poate fi programat numai pentru a opri debitul de argon complet atunci când instrumentul nu este utilizat pentru analiză, automat, astfel încât instrumentul să fie gata și stabilizat pentru următoarea analiză. În funcție de ciclul de funcționare al instrumentului, pot fi realizate economii de până la 40% în consumul de argon. Optica de înaltă rezoluție, stabilizată la temperatură, poate fi configurată pentru a se potrivi cu aplicația unui client într-o gamă disponibilă de la 140 la 670 nm și utilizează cele mai recente detectoare CCD multiple. [9]

4.1 Microscopia optică

Pregătirea probelor metalografice

Proba metalografică este o parte detasată dintr-o piesă sau semifabricat în vederea analizei microscopice sau macroscopice. La prelevarea probei metalografice se va ține seama de urmatoarele criterii:

în cazul analizei unei piese defecte se va lua o probă metalografică din zona defectă și

pentru comparare, o probă dintr-o regiune fără defecte;

la piesele turnate se vor lua probe din fiecare importanța de solidificare;

la produsele laminate se pregatesc două suprafețe perpendiculare între ele, una pe

direcția longitudinală și cealaltă pe cea transversală;

la piesele tratate termochimic proba va trebui să cuprindă zona marginală dar și cea

centrală care este crudă.

La prelevarea probelor metalografice se va evita modificarea structurii prin încălzire sau deformare plastică, din acest motiv se recomandă tăierea cu fierăstrăul manual sau mecanic, prelucrarea prin așchiere dar cu răcire abundentă cu soluții apoase. Tăierea probelor dure se face prin procedee neconventionale. Dimensiunile probelor prelevate nu sunt standardizate.

Etapele pregătirii probelor metalografice:

obținerea suprafeței plane;

șlefuirea;

lustruirea;

atacul metalografic.

Obținerea suprafeței plane se realizează prin pilire, polizare sau frezare. Pentru ușurința prelucrării, probele care au fost neregulate și au sectiuni foarte mici, pot fi montate în inele metalice și fixate cu rășini sintetice sau cu aliaje ușor lizibile.

De asemenea se practică înglobarea probelor la care este necesară studierea straturilor superficiale (cementări, nitruări, căliri superficiale).

Șlefuirea se execută cu ajutorul hârtiilor metalografice care prezintă o finețe crescândă a particulelor abrazive formate din carbura de Si. După granulația hârtiilor metalografice, șlefuirea poate fi:

fină, când se întrebuințează hârtie metalografică cu granulație fină;

foarte fină, când se întrebuințează hârtii metalografice extrafine.

În cazul în care șlefuirea se face manual, hârtia se așează pe o placă de sticlă montată pe un suport de lemn. Proba metalografică fiind apăsată ușor se miscă totdeauna într-o singură direcție executându-se o mișcare dute-vino. Șfeluirea se începe pe hârtia cu granulație 8 sau 6.

La fiecare schimbare a hârtiei este necesar ca proba să fie rotită cu 900 pentru ca rizurile noi sa formeze un unghi drept cu cele precedente.

În cazul șlefuirii mecanice se folosesc mașinile de șlefuit orizontale sau verticale, la care hârtia metalografică este fixată pe discuri rotitoare. Această operație de șlefuire trebuie să respecte urmatoarele reguli:

nu se trece pe o altă hârtie metalografică decât după ce se constată că toate

rizurile de la șlefuirea anterioară au dispărut;

hârtia metalografică se curăță de praful metalic sau abraziv ori de cate ori se

folosește în cazul șlefuirii uscate;

în timpul șlefurii piesa nu trebuie să se incălzească;

nu se vor folosi aceleași hârtii pentru aliajele feroase și neferoase;

la sfârșitul operației de șlefuire proba este spalată pentru îndepartarea tuturor

incluziunilor care au aderat în timpul șlefuirii.

Se obțin rezultate bune la slefuirea cu hârtii metalografice hidrofuge, sub jet de apa, când se îndepartează toate particulele metalice sau abrazive.

Lustruirea probelor se execută mecanic sau electrolitic, în cazul lustruirii mecanice mașina de lustruit este prevăzută cu un disc rotitor pe care se fixează o paslă din lână merinos. Pentru lustruire se dispune pe paslă o suspensie de oxid de aluminiu, oxid de magneziu, praf de diamant de diverse granulații.

După lustruire suprafața probei trebuie să aibă un aspect de oglindă, proba lustruită se spală cu apă, se degresează cu alcool și apoi se usucă prin tamponare cu vată sau hârtie filtru, recomandabil însă este uscarea într-un curent cu aer cald.

Atacul metalografic

Operațiile de atac au drept scop scoaterea în evidență a structurii cristaline. Suprafața lustruită se atacă cu reactivi corespunzători care dizolvă sau colorează selectiv diferiții constituenți prezenți, făcându-i să se poată distinge unul de altul. [3]

4.2 Determinarea durității prin Metoda Vickers

Metoda Vikers (STAS 492, STAS 7057), are un câmp larg de aplicabilitate, putându-se aplică la metale moi, semidure și dure. În principiu această metoda constă în apăsarea unui penetrator pe materialul de încercat, cu o forță care crește lent de la valoarea zero la valoarea maximă.

Penetratorul este confecționat din diamant și are forma piramidală dreaptă cu baza pătrată având unghiul diedru la vârf al fețelor opuse ale piramidei de 136±0,50.(Fig.1.7) [3]

Duritatea Vickers (HV), se exprimă prin raportul dintre sarcina de încărcare aplicată F și aria suprafeței laterale a urmei produse A (mm2), urma fiind considerată ca o piramidă dreaptă cu baza pătrată, cu diagonala d având la vârf același unghi ca și penetratorul. [3]

Microduritatea Vickers

În cazul microdurităților Vickers, solicitările aplicate sunt de la 0,005 până la 1 Kgf. Această microduritate este determinată cu ajutorul unui microdurimetru prezentat în figura de mai jos.

Studii și cercetări experimentale

Determinarea compoziției chimice

Determinarea compoziției chimice s-a efectuat cu ajutorul unui spectrometru de emisie optică, SPECTROMAXx. În tabelul de mai jos este prezentată valoarea medie a concentrațiilor elementelor, calculată în urma a 3 încercări efectuate:

Tabel 1. Concentrațiile elementelor de aliere determinate prin spectrometrie de emisie optică

În tabelul 2 este prezentată compoziția chimică oțelului 40Cr10 conform STAS 791/88.

Tabel 2. Compoziție chimică conform STAS 791/88 [3]

Comparând compoziția chimică determinată cu limitele indicate de STAS 791/88, se observă o încadrare a conținutului de C în limitele 0,36 – 0,44%, Mn se află la limita inferioară 0,50%, în timp ce Cr se încadrează în intervalul 0,80 – 1,10%. În ceea ce privește conținutul în S și P, concentrațiile măsurate sunt mult inferioare valorilor limită prescrise in standard.

Se poate observa ca aliajul experimental poate fi încadrat în marca 40Cr10.

Procesarea termică a oțelului 40Cr10

Pentru procesarea termică s-a folosit un cuptor Nabertherm(Fig.2). Temperatura de austenitizare în vederea călirii a fost stabilită la 860 0C, temperatura recomandată și de standard.

Probele au fost introduse în cuptor când acesta a ajuns la temperatura de tratament stabilită. După introducerea probelor în cuptor a fost necesară o perioada de 5 minute pentru stabilizarea temperaturii acestuia la valoarea aleasă în vederea tratamentului termic. Timpul de menținere al probelor la temperatura a fost de 30 de minute.

Pentru răcirea probelor de la temperatura de tratament termic în vederea călirii s-a utilizat ca mediu de răcire, apa, pentru un set de probe, iar pentru al doilea set de probe, uleiul.

Codificarea probelor este prezentată în tabelul 3, proba notată „M” a fost considerată ca starea în care a fost furnizat materialul, cel mai probabil forjat la cald.

Tabel 3. Codificarea probelor în funcție de tratamentele termice aplicate

Aceste regimuri de tratament termic au fost alese cu scopul investigării influenței temperaturii de revenire, duratei de revenire și a mediului de răcire asupra structurii oțelului investigat.

Efectul tratamentelor termice prin varierea parametrilor a fost studiat prin microscopie

optică și determinarea caracteristicilor mecanice, determinarea microduriții Vickers.

Studii prin microscopie optică

În vederea investigatiilor prin microscopie optică, a fost necesară pregatirea probelor metalografice, etapele fiind descrise în paragrafele următoare:

Pregatirea probelor metalografice

Înglobarea probelor s-a efectuat cu ajutorul presei de înglobat la cald

BUEHLER Simplimet 1000 folosind pulbere de bachelita și următorii parametri:

timp de încălzire: 5 min;

timp de răcire: 8 min;

presiune: 290 bar.

Șlefuirea probelor s-a efectuat cu ajutorul aparatului PHOENIX BETA cu cap vector, unde s-a utilizat hârtie abrazivă cu urmatoarele granulații: 180, 320, 400, 1000, folosind următorii parametri:

timp de șlefuire: 5 min;

forța: 25 N/mm2;

rotații: 300/min;

sensul relativ contrat.

Lustruirea probelor s-a efectuat pe același aparat, pe pânză micro-flock utilizând o suspensie de pulbere diamant, pe bază de apă, cu dimensiunile particulelor de 9µm, 6µm, 3µm, 1µm, iar parametrii utilizați au fost:

timp de lustruire: 5 min;

forța: 25 N/mm2;

rotații: 200/min;

fără apă.

Atacul metalografic pentru punerea în evidență a microstructurii a fost Nital cu o concentrație de 5%.

Microscopie optică cantitativă

În vederea estimării conținutului de incluziuni pe o proba neatacată s-a efectuat analiza stării incluzionale conform standardului ASTM E112. Pe proba investigată s-au analizat 5 câmpuri distincte care în urma prelucrării au furnizat distribuții ale incluziunilor în funcție de suprafață. Figura 2.1 prezintă un camp capturat în vederea prelucrării, imaginea prelucrată fiind prezentată în figura 2.2

Starea incluzională

Fig.2.3 Raport privind starea incluzională

Distribuția prezentată în figura 2.3, extrasă din raportul de analiză relevă un număr mare de incluziuni de dimensiuni de maximum 50 de microni, majoritatea incluziunilor având suprafețe mai mici de 100 de microni.

Valoarea medie a fost de 46,1878 µm2 cu abatere standard de 67,567 µm2.

Microscopie optică calitativă

Atacul probelor metalografice cu Nital în concentrație de 5%, a evidențiat

microstructurile oțelului tratat termic.

Micrografia probei P 02

Micrografia probei P 04

Micrografia probei P 12

Micrografia probei P 14

În micrografiile prezentate în figurile de mai sus se pot observa constituenți de revenire cum sunt: martensită, benită, urme de troostită și aparent urme de ferită.

La o analiză atentă se pot observa limitele foștilor grăunți austenitici cu o dimensiune mică și uniformă. La măriri mari s-a constatat prezența unor carburi foarte fine de formă globulară uniform distribuite în intreaga masa metalică de bază investigată.

În ceea ce priveste influența temperaturii, duratei de menținere, la proba P 02 se observă o structură mai grosiera față de proba P 04, observații ce sunt aplicabile și în cazul probelor P 12 si P 14. În privința mediului de răcire, folosirea unui mediu mai puțin energic, are drept rezultat obținerea unei structuri mai fine care se menține și la încălzirea ulterioară în vederea revenirii.

Determinarea durității

Investigarea caracteristicilor mecanice a fost realizată în prima faza folosind metoda

Vickers, urmată de o investigare mai în detaliu folosind microduritatea Vickers.

Duritatea Vickers

În tabelul 4 sunt prezentate valorile determinate experimental pentru cele 5 probe investigate. Pe fiecare probă s-au efectuat 5 determinări, iar cu valorile obținute s-a calculat valoarea medie și abaterea standard.

Tabel 4. Valorile durităților determinate experimental pe probele investigate

Valorile mici ale valorilor standard generează un tratament temic aplicat corect, materialul fiind omogen din punct de vedere microstructural. Comparând valorile medii pentru probele investigate, în figura 2.4 se observă o variație normală în funcție de tratamentul aplicat.

Fig.2.4 Comparații între valorile durității Vickers

Cea mai mica valoare a durității Vickers este observată în cazul probei martor „M”, care nu a suferit un tratament termic de călire.

În cazul probei P 1.2 se observă cea mai mare duritate urmată de proba P 0.2 , probele P 1.4 și P 0.4 având valori apropiate.

Probele tratate termic la 450 0 C conferă duritate superioară, iar în cazul în care mediul de răcire este apa, valoarea duritații este mai mare. Creșterea temperaturii la 550 0 C conduce la obținerea unor durități apropiate indiferent de mediul de răcire utilizat.

Microduritatea Vickers

Determinarea variației radiale a microdurității Vickers , s-a efectuat cu ajutorul unui microdurimetru CV INSTRUMENTS, amprentarea efectuându-se din centrul probei spre marginea acesteia. S-a utilizat un pas constant de 50 micrometri între amprente, iar forța de apăsare a fost de 50 gf și timpul de menținere de 30 secunde. Determinarea microdurității Vickers pe proba martor nu a mai fost efectuată deoarece nu a fost considerată a fi relevantă pentru scopul acestui studiu experimental. În tabelul 5 sunt prezentate valorile măsurărilor efectuate pe probele investigate.

Tabel 5. Valorile microdurităților Vickers și conversia în duritate Rockwell (HRC).

Fig.2.5 Comparații între valorile microdurității Vickers

Cea mai mică valoare a microdurității Vickers este observată în cazul probei martor „M”, care nu a suferit un tratament termic de călire.

În cazul probei P 1.2 se observă cea mai mare microduritate urmată de proba P 0.2 , probele P 1.4 si P 0.4 având valori apropiate.

Probele tratate termic la 450 0 C conferă duritate superioară, iar în cazul în care mediul de răcire este apa, valoarea microdurității este mai mare. Creșterea temperaturii la 550 0 C conduce la obținerea unor microdurități apropiate indiferent de mediul de răcire utilizat.

Fig.2.6 Variația microdurității de la centru către margine pentru proba P 02

În cazul probei P 02 se constată că odată ce crește distanța față de centru apare o creștere a valorilor microdurității. În centru apar abateri de la 26 până la 28 unităti față de medie, în timp ce în zona marginală apar abateri de la 0 la 3 unitati. În porțiunea intermediară apar și zone cu variații ale valorilor durității de la -60 până la 40 unități față de medie.

Fig.2.7 Variația microdurității de la centru către margine pentru proba P 04

În cazul probei P 04 se constată că odată ce crește distanța față de centru apare o creștere a valorilor microdurității. În centru apar abateri de la -10 până la 28 unități față de medie, în timp ce în zona marginală apar abateri de la -15 la 12 unități. În porțiunea intermediară apar și zone cu variații ale valorilor durității de la -56 la 29 unități față de medie.

Fig.2.8 Variația microdurității de la centru către margine pentru proba P 12

În cazul probei P 12 se constată că odată ce crește distanța față de centru apare o creștere a valorilor microdurității. În centru apar abateri de -20 până la 14 unități față de medie, în timp ce în zona marginală apar abateri de la -12 la 22 unități. În porțiunea intermediară apar și zone cu variații ale valorilor durității de la -46 la 55 unităti față de medie.

Fig.2.9 Variația microdurității de la centru către margine pentru proba P 14

În cazul probei P 14 se constată că odată ce crește distanța față de centru apare o creștere a valorilor microdurității. În centru apar abateri de -40 până la -10 unități față de medie, în timp ce în zona marginală apar abateri de la 1 la 14 unități. În porțiunea intermediară apar și zone cu variații ale valorilor durității până la -61 la 33 unități față de medie.

Concluzii finale

Comparând compoziția chimică determinată cu limitele indicate de STAS 791/88, se observă o încadrare a conținutului de C în limitele 0,36 – 0,44%, Mn se află la limita inferioară 0,50%, în timp ce Cr se încadrează în intervalul 0,80 – 1,10%. În ceea ce privește conținutul în S și P, concentrațiile măsurate sunt mult inferioare valorilor limită prescrise in standard. Se poate observa ca aliajul experimental poate fi incadrat in marca 40Cr10.

Raportul de analiză cantitativa relevă un număr mare de incluziuni de dimensiuni de maximum 50 de microni, majoritatea incluziunilor având suprafețe mai mici de 100 de microni. Valoarea medie a fost de 46,1878 µm2 cu abatere standard de 67,567 µm2.

Din micrografiile probelor experimentale se pot observa constituenți de revenire cum sunt: martensită, benită, urme de troostită și aparent urme de ferită. De asemenea, au fost observate și limitele foștilor grăunți austenitici cu o dimensiune mică și uniformă. La măriri mari s-a constatat prezența unor carburi foarte fine de formă globulară uniform distribuite în intreaga masa metalică de bază investigată.

În ceea ce priveste influența temperaturii, la proba P 02 se observă o structură mai grosieră față de proba P 04, observații ce sunt aplicabile și în cazul probelor P 12 si P 14. În privința mediului de răcire, folosirea unui mediu mai putin energic, are drept rezultat obținerea unei structuri mai fine care se menține și la încălzirea ulterioară în vederea revenirii.

Cea mai mică valoare a durității Vickers este observată în cazul probei martor „M”, care nu a fost supusă unui tratament termic de călire. În cazul probei P 1.2 se observă cea mai mare duritate urmată de proba P 0.2 , probele P 1.4 și P 0.4 având valori apropiate, dar inferioare.

Si in cazul microdurității Vickers se observa aceeași variație a valorilor ca și în cazul durității Vickers. Astfel, pentru proba P 1.2 se observă cea mai mare microduritate urmată de proba P 0.2 , probele P 1.4 si P 0.4 având valori apropiate.

Probele tratate termic la 450 0 C conferă duritate superioară, iar în cazul în care mediul de răcire este apa, valoarea microdurității este mai mare. Creșterea temperaturii la 550 0 C conduce la obținerea unor microdurități apropiate indiferent de mediul de răcire utilizat.

Se constată că utilizarea unui mediu de răcire mai puțin energic conferă o omogenitate structurală mai mare pe secțiunea probelor analizate.

Gradul de finețe al microstructurilor joacă un rol secundar în ceea ce privește caracteristicile mecanice, rolul determinant fiind natura și proporția constituenților prezenți.

În cazul oțelului 40Cr10 investigat în cadrul programului experimental s-a constatat influenta temperaturii asupra constituenților rezultați în urma revenirii și importanta mediului de răcire asupra omogenității structural în secțiunea probei.

BIBLIOGRAFIE

[1]. T. Dulămiță, I. Gherghescu: ,,Oțeluri de scule – proprietăți, tratamente termice”, Editura Tehnică, București, 1990.

[2]. Ap. Guleaev: ,,Tratamentul termic al oțelurilor” ,Ed. Tehnică, București, 1961.

[3]. Culegere de standarde de stat române comentate ,,OȚELURI – Generalități și condiții tehnice generale”, vol II, BUCURESTI 1994.

[4]. Constantin Dumitrescu, Rami Saban ,,Metalurgie Fizica & Tratamente Termice” – Știința și Ingineria Materialelor (vol.I) Editura Fair Partners.

[5]. N. Geru: ,,Proprietățile materialelor” Editura Tehnică, București, 1967.

[6]. T. Dulămiță: ,,Alegerea și tratamentul termic al oțelurilor de scule”, Editura Tehnică, București, 1963.

[7]. S. Mantea, T. Dulămiță: ,,Teoria și practica tratamentelor termice”, Editura Tehnică, București, 1966.

[8]. A. N. Minkevici: ,,Tratamente termochimice ale metalelor și aliajelor”, Editura Tehnică, București, 1968.

[9]. C. Dumitrașcu: ,,Tratat de Stiinta si Ingineria materialelor”, Editura AGIR, Bucuresti, 2007, Vol.I, II, III.

[10]. Alte pagini web (din Google, Yahoo…).