Stal narzedziowa - ciągliwość

Terminy  używane w językach obcych na określenie  własności "ciągliwość" („wiazkost, „Zhigkeit, „toughness) są szczęśliwsze niż stosowana u nas „ciągliwość” będąca raczej synonimem plastyczności. Innego, ogólnie przyjętego terminu brak jednak w języku polskim.

Dużej twardości stali narzędziowych w stanie hartowanym towarzyszy z natury rzeczy dość duża kruchość. Z praktyki wiemy jednak, że ta sama stal może być przy jednakowej twardości raz mniej, a innym razem bardziej krucha (np. po prawidłowym zahartowaniu i po hartowaniu, połączonym z przegrzaniem). Z dwóch różnych stali zahartowanych bez zarzutu, również jedna może być bardziej krucha, mimo że obje mają tę samą twardość. Mówimy wówczas, że jedna jest mniej, a druga bardziej ciągliwa. Idzie tu przy tym nie o tę poprzednio omówioną ciągliwość, jaką przy stalach płytko hartujących się zapewnia narzędziu niezahartowany rdzeń, lecz o ciągliwość struktury całkowicie zahartowanej, martenzytycznej. Ciągliwość ta jest tak nieznaczna w porównaniu z tym, do czego przyzwyczailiśmy się przy stalach konstrukcyjnych, że nie można mierzyć jej metodami tam stosowanymi. Nie można np. określać ciągliwości zahartowanej stali narzędziowej wydłużeniem, jakiemu ulega próbka podczas próby rozciągania.

Pojęcie ciągliwości stali narzędziowych obejmuje zresztą nie tylko pewien zasób zdolności do odkształceń; mieści się w nim jednocześnie duża sprężystość i wytrzymałość zarówno na obciążenia statyczne, jak i dynamiczne.

Podobnie jak mało sprecyzowana jest sama własność, tak samo nie są ściśle ustalone metody jej badania. Do pomiaru jej stosuje się czasami próbę udarności, przy czym używa się głównie próbek bez karbu. Przykład zastosowania tej próby do badania ciągliwości stali szybkotnącej zmiany udarności stali SW18 w zależności od temperatury odpuszczania po hartowaniu przy 1290°C. Próba ta jednak często nie wykazuje subtelnych a istotnych różnic ciągliwości, spowodowanych np. niewielkimi zmianami warunków obróbki cieplnej. Podający dla celów porównawczych wyniki próby udarności wg Izoda (próbki z karbem i bez karbu) i próby skręcania udarowego otrzymane na próbkach stali węglowej, odpuszczanych przy różnych temperaturach (do 450 °C).

Wszystkie te próby stosuje się jednak, jak dotychczas, wyłącznie w pracach naukowych; praktyka kontrolno-odbiorcza nie posługuje się jeszcze nimi.

Praktyczne zastosowanie znalazła tylko próba udarności z karbem w odniesieniu do stali narzędziowych o małej i średniej zawartości węgla, odpuszczanych przy wysokich temperaturach (stale do pracy na gorąco); daje ona w tym przypadku wyniki dostatecznie zróżnicowane, zależnie od gatunku stali i obróbki cieplnej, oraz jest łatwa do przeprowadzenia.

Ciągliwość stali narzędziowych zależy oczywiście od ich składu chemicznego. Przy tej samej zawartości innych składników jest ona tym mniejsza, im większa jest zawartość węgla. Jeżeli jednak idzie o pozostałe składniki, czy to celowo stosowane, czy takie, których nie można uniknąć, to wpływ ich zależy od tylu ubocznych okoliczności, że ogólnie obowiązujących prawideł podać tu nie można. Wiadomo np., że stale tyglowe odznaczają się dużą ciągliwością, mimo znacznej nieraz zawartości siarki i fosforu, których ilość, ze względu na ich szkodliwy wpływ, staramy się w stalach innego pochodzenia jak najbardziej ograniczyć.

Duży wpływ ma wielkość ziarna austenitu przy temperaturze hartowania (czyli stopień ziarnistości przełomu) związana zarówno z wrażliwością stali na przegrzanie, jak i z warunkami hartowania. Narzędzia o ziarnie grubym (wielkość 4 i niżej) kruszą się niekiedy już przy upadku na podłogę, podczas gdy np. rdzenie pocisków przeciwpancernych o ziarnie wielkości 8 ÷ 10 przechodzą przez płytę pancerną nienaruszone.

Hartowana przy temperaturze 780 i 820°C wykazuje dużą wytrzymałość na zginanie. Po hartowaniu przy 860 ÷ 900°C, w którym to zakresie temperatur odbywa się gwałtowny rozrost ziarna, występuje w stali ziarno mieszane, drobne i grube; wskutek tego wyniki próby zginania mają wyraźny rozrzut: jedne próbki wykazują jeszcze dużą, inne już znacznie mniejszą ciągliwość. Przy hartowaniu powyżej 900°C powstaje już ziarno jednolicie grube, w związku z czym wszystkie próbki mają wytrzymałość na zginanie ponad 50% gorszą niż przy ziarnie jednolicie drobnym.

Odpuszczanie zwiększa ciągliwość zahartowanej stali; zwiększanie ciągliwości nie jest jednak regularne i ciągłe, ani, jak to się często sądzi, związane ściśle ze zmniejszeniem twardości. Powyżej temperatury 200 °C obserwuje się raptowne zmniejszenie ciągliwości, utrzymujące się aż do 350 do 400°C (zależnie od składu chemicznego stali), jeszcze wyżej zaś — ponowne zwiększenie. Zmianom tym nie towarzyszą odpowiednie, a przynajmniej równie silne zaburzenia w przebiegu krzywej twardości. Zwiększenie ciągliwości obserwowane przy temperaturach do 200 °C wywołane jest częściowo zmniejszeniem naprężeń własnych, głównie zaś zmianami strukturalnymi zachodzącymi w „martenzycie. Tak zwany świeżo hartowany martenzyt (martenzyt tetragonalny) przechodzi przy ok. 100°C w mniej kruchy a nieco twardszy martenzyt regularny, ten zaś, w miarę dalszego wzrostu temperatury, odpuszcza się i wraz ze zmniejszaniem twardości zyskuje na ciągliwości. Powyżej 200°C proces ten toczy się dalej. Jednocześnie jednak zaczynają przebiegać nowe zjawiska, których ujemny wpływ na ciągliwość znacznie przeważa. Odbywa się tu przede wszystkim rozpad austenitu szczątkowego, połączony z raptownym zmniejszeniem ciągliwości. Przy większych ilościach austenitu szczątkowego rozkład jego daje się zauważyć nawet na krzywej twardości, w postaci lekkiego zahamowania jej spadku („siodełka”).

Drugim zjawiskiem, któremu przypisuje się zmniejszenie ciągliwości stali przy odpuszczaniu w zakresie temperatur ok. 250°C są początki tworzenia się cementytu — Fe8C, przypadające.

na ten właśnie obszar temperatur. Pierwsze wydzielenie tego związku — tak przynajmniej stwierdzono u stali konstrukcyjnych — przybierają postać cieniutkich płytek i umieszczenia się wzdłuż byłych igieł martenzytu bądź na granicach ziarn. Powoduje to osłabienie spójności stali. Są jeszcze inne poglądy, dotyczące przyczyn tej tzw. kruchości odpuszczania zakresu 250 ÷ 400°C, nie zdobyły jednak takiego uznania, jak oba omówione.

Inne zjawiska współodpowiedzialne za omawiane zmniejszenie ciągliwości nie są jeszcze do końca rozpoznane. Proces wydzielania się węglików specjalnych w stalach odpornych na odpuszczanie powoduje zawsze zmniejszenie ciągliwości albo zahamowanie jej wzrostu, jak to widać z zachowania się stali szybkotnącej. Początkowemu zmniejszeniu twardości towarzyszy szybkie zwiększanie ciągliwości, trwające aż do ok. 300°C. Zaznaczające się od tej temperatury wydzielanie się węglików (lekki wzrost twardości) powoduje gwałtowne zatrzymanie wzrostu ciągliwości i w dalszym ciągu lekkie jej zmniejszenie.

Raptowne zmniejszenie ciągliwości po odpuszczeniu powyżej 500° C tłumaczyć należy częściowo również rozpadem austenitu na twardy i kruchy martenzyt, zachodzącym w stalach szybkotnących właśnie po odpuszczeniu w tym obszarze temperatur.

Ciągliwość zahartowanej stali narzędziowej zależy również od warunków odlewania, przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej, wpływających na jej strukturę. W stalach ledeburytycznych (np. szybkotnących) ujemnie wpływa zbyt wielka nierównomierność rozkładu węglików, będąca pozostałością po występującej w strukturze wlewka eutektyce — ledeburycie. Nierównomierność ta przejawia się albo w łagodniejszej postaci jako likwacyjne smugi węglików, albo w postaci niezupełnie rozbitej, mniej lub więcej wyraźnie i grubo wykształconej siatki ledeburytu. Objawu tego nie można uniknąć. O zapobieganiu temu zjawisku będzie mowa w rozdziale o wadach stali.

Objaw ten jest znacznie mniej szkodliwy niż pokrewna mu do pewnego stopnia, występująca w stalach nadeutektoidalnych siatka cementytu. Narzędzia wykazujące w strukturze siatkę cementytu są tak kruche, że nie nadają się zupełnie do pracy. Można je jednak łatwiej naprawić niż narzędzia ze stali ledeburytycznych, ponieważ siatka cementytu istniejąca we wlewku stali nadeutektoidalnej rozpuszcza się przy temperaturach przeróbki plastycznej na gorąco, a ponownego jej wydzielenia się łatwo uniknąć, przestrzegając prawidłowych warunków kucia. Można ją zresztą również rozbić stosując odpowiednią obróbkę cieplną.