Jak obróbka cieplna wpływa na właściwości mechaniczne stali?

Stal to jeden z najczęściej stosowanych materiałów konstrukcyjnych na świecie. Jej powszechne wykorzystanie wynika z doskonałej kombinacji wytrzymałości, plastyczności i odporności na korozję. Właściwości te można dostosować za pomocą obróbki cieplnej, czyli procesu kontrolowanego nagrzewania i chłodzenia stali. W stanie surowym po odlaniu stale wykazują zazwyczaj niską jakość. Dlatego niemal zawsze są poddawane obróbce cieplnej, aby nadać im pożądane cechy wytrzymałościowe, twarde lub plastyczne.

Różna metody obróbki cieplnej stali

Podstawą obróbki cieplnej stali jest odpowiednia kontrola temperatury nagrzewania oraz szybkości chłodzenia materiału. Oba te czynniki determinują przemiany fazowe i mikrostrukturę stopu, decydując tym samym o jego właściwościach mechanicznych.

Odkształcenie plastyczne niektórych stali zwiększa ich wytrzymałość, ale pogarsza plastyczność. Ten niekorzystny efekt można zrównoważyć wyżarzaniem zwyżkażącym – rodzajem obróbki cieplnej, która ponownie zwiększa plastyczność i ujednarnia strukturę materiału. Prowadzi się ją przez długotrwałe wygrzewanie i powolne chłodzenie w temperaturach bliskich obszarowi austenitycznemu.

Odmiennym rodzajem obróbki jest hartowanie, które polega na bardzo szybkim chłodzeniu stali z obszaru austenitycznego. Dzięki temu otrzymuje się strukturę martenzytu, który jest fazą bardzo twardą, ale też kruchą. Dlatego po hartowaniu stosuje się odpuszczanie – nagrzewanie w temperaturach niższych niż austenitycznych, aby złagodzić zwiększoną twardość i kruchość po hartowaniu.

Nie wszystkie gatunki stali można hartować. Stal niskostopowa zawiera zbyt mało pierwiastków stopowych, przez co przechłodzenie nie powoduje powstania twardego martenzytu. Takie stale można natomiast ulepszyć cieplnie przez normalizowanie. Proces ten rozpoczyna się od wygrzewania w zakresie austenitycznym, a następnie chłodzi się stop na powietrzu. Normalizowanie pozwala zmniejszyć niejednorodność struktury po odlewaniu oraz ujednorodnić rozmieszczenie pierwiastków stopowych po walcowaniu lub kuciu.

W wyniku tej obróbki powstaje mieszana struktura ferrytu i perlitu o nieco zwiększonej wytrzymałości i nieco mniejszej plastyczności w porównaniu ze stanem surowym. Doskonałą wytrzymałość i plastyczność jednocześnie uzyskuje się poprzez sferoidyzację perlitu.

Polega ona na wygrzewaniu w obszarze międzykrytycznym, między temperaturami początku wydzieleń austenitu i ferrytu. W tych warunkach cementyt perlitu przekształca się w sferyczne ziarna równomiernie rozproszone w osnowie ferrytycznej. Stal po sferoidyzacji odznacza się bardzo dobrą wytrzymałością i plastycznością.

O ile wyżarzanie zwyżkające, hartowanie i odpuszczanie nadają stali pożądane własności wytrzymałościowe, często kosztem plastyczności, to metody jak normalizowanie i sferoidyzacja zapewniają zrównoważony wzrost obu tych cech.

Większa twardość stali

Mimo to, w wielu wypadkach większa twardość jest priorytetem np. dla części narażonych na zużycie ścierne. Można ją osiągnąć metodami nawęglania, azotowania lub cynkowania, wzbogacającymi powierzchnię stali w określone pierwiastki chemiczne.

Nawęglanie polega na wzbogaceniu powierzchni stali w węgiel w atmosferze gazów o wysokiej zawartości tego pierwiastka. Dzięki temu powstaje twarda warstwa zewnętrzna, podczas gdy rdzeń zachowuje plastyczną strukturę.

Azotowanie natomiast wprowadza do warstwy powierzchniowej azot, który tworzy bardzo twardą azotkową warstwę wierzchnią. Cynkowanie zaś to zanurzanie stali w stopionym cynku i tworzenie na niej zewnętrznej powłoki zawierającej fazy międzymetaliczne żelazo-cynk o wysokiej twardości.

Kształtowanie właściwości mechanicznych stali

Omówione metody obróbki cieplnej i chemiczno-cieplnej stanowią jedynie wycinek z całego spektrum zabiegów, jakim poddaje się stal. Każda z nich prowadzi do zmian mikrostruktury metalu, kształtując jego właściwości mechaniczne jak wytrzymałość, plastyczność czy odporność na ścieranie według potrzeb wynikających z przeznaczenia wyrobu.

Stosowanie odpowiedniej obróbki jest kluczowe do zapewnienia pożądanych parametrów materiału. Proces ten wymaga jednak dobrej znajomości zachodzących przemian fazowych oraz wpływu poszczególnych składników na własności stali.

Bez wątpienia umiejętne wykorzystanie tej wiedzy pozwala sterować właściwościami mechanicznymi stali, dając ogromne możliwości w obszarze projektowania materiałów inżynierskich o wymaganych cechach. Dlatego też obróbka cieplna pozostaje nieodłącznym elementem metalurgii i technologii materiałowej.