3.Характер закалочной среды.

Тепло от поверхности термообрабатываемой детали при использовании принудительного охлаждения отводиться главным образов за счет излучения, конвекции, теплопроводности и парообразования. При охлаждении металла на воздухе теплоотвод излучением является основным способом отбора тепла (например, в интервале температур от А_С1 до 100⁰С снижается от 63 до 18 ккал\м³час град.). Конвекция и теплопроводность являются преимущественными способами при низких температурах поверхности закаливаемого металла. Охлаждение за счет теплопроводности является превалирующим в случае применения медных или железных плит, а также расплавов металлов, солей, щелочей.

Интенсивность охлаждения конвекцией зависит от многих факторов, к основным из которых относятся:

-от наличия или отсутствия изменения агрегатного состояния жидкой охлаждающей среды при соприкосновении с поверхностью закаливаемого изделия (соответственно наличие или отсутствие стадий закалочного охлаждения и температурных интервалов их проявления, отличающихся значением коэффициента теплоотдачи);

-от жидкотекучести (вязкости), теплоемкости и теплопроводности охлаждающей среды;

--от электропроводности охлаждающей среды (определяет наличие и длительность стадии пленочного кипения);

-от температуры охлаждающей среды и температуры ее кипения;

-от скорости циркуляции среды относительно поверхности охлаждаемой детали;

-от наличия или отсутствия внешнего воздействия на систему –«поверхность детали-охлаждающая среда» (например, давления над зеркалом ванны, вибрационного, электро- или магнитного поля и т.д.);

-состояния поверхности охлаждаемого изделия и уровня его шероховатости.

Основным условием конвективного теплообмена является снижение температуры поверхности охлаждаемой детали ниже температуры кипения жидкости.

Парообразование (газообразование) является неотъемлемой частью процесса закалочного охлаждения металлоизделий в жидких средах, изменяющих свое агрегатное состояние при нагреве. На парообразование расходуется значительно больше тепла от нагретого изделия, чем на нагрев жидкой охлаждающей среды до кипения. Например, для нагрева 1 литра воды до кипения тратиться 100 ккал., а для испарения 1 литра воды - 538,7 ккал ( а для водных растворов хлоридов еще больше). Именно на этом принципе разработан и используется в промышленности процесс испарительного охлаждения, когда для закалки используется среда, нагретая до температуры кипения и отбор тепла от закаливаемой детали осуществляется за счет испарения жидкости с зеркала ванны.

Для краткой характеристики свойств жидких закалочных сред на деформацию и коробление при закалке целесообразно рассмотреть данные таблицы 3 и рисунка 3. Данные, приведенные в табл.3 получены после закалки колец Френча (рис.2) из стали 40 от температуры 840⁰С.

Таблица 3 –Влияние характеристик жидкой охлаждающей среды на твердость и уровень напряжений в металле колец Френча

Охлаждающая среда	Темпера-тура охладителя, 0С	Скорость циркуляции охладителя, м/с	Твер-дость, HRC	Величина деформации, мм
Вода	20	0,5	56-60	+0,39 (разбег на четырёх образцах 0,32-0,45)\-0,2XХ
«	60	0,5	56-59	+0,425 (разбег 0,34-0,55)
«	20	0	56-59	+0,56 (разбег 0,38-0,73)
«	90	0	62-64	Образцы разрушилисьХХ
Водный раствор NaOH
10-%-ный	20	0,5	57-59	+0,22 (разбег 0,13-0,34)
50-%-ный	20	0,5	58-60	+0,12 (разбег 0,06-0,16)
75-%-ный	115	0,5	55-57	+0,05 (разбег 0,04-0,06)
Масло веретенное	20	0,5	18-22	-0,13 (разбег 0,07-0,23)
Водный раствор NaCl 10%:	20	0,5	57-60	+0,18 (разбег 0,14-0,22)
Водный раствор (50%) бишофита (MgCl2х6Н2О):	90	0	62-64	+0,8\-0,17ХХ
40% воды; 50% масла; 10% NaOH	20	0,5	53-57	+0,19 (разбег 0,12-0,24)
25% воды; 25% масла; 50% NaOH	87	0,5	52-56	+0,07 (разбег 0,01-0,19)

х- за величину деформации считают разность расстояний между губками образца Френча до и после закалки, среднее значение при количестве образцов ≥4. Знак « + » перед данными опыта означает растягивающие напряжения, а « – » - сжимающие напряжение, т.е. схождение губок образца.

ХХ – образцы Френча из стали 5ХНМ, в числителе данные после закалки, в знаменателе после отпуска 500^0,С, 1 ч.

Важным параметром охлаждающей среды является температурный интервал, уровень и временная продолжительность максимального теплоотбора от поверхности закаливаемой детали. Как следует из рис.3 и табл.3 каждая охлаждающая среда имеет индивидуальные теплотехнические параметры и поэтому эти особенности должны обязательно учитываться при выборе среды и способа охлаждения деталей сложной геометрии и большой разнотолщинности.

Негативным воздействием на закаливаемую деталь обладают охлаждающие среды, у которых максимум теплоотбора находится в области упругого состояния металла, а уровень теплоотвода резко увеличивается и достигает максимума в течение короткого промежутка времени (например, вода с температурой ≥90⁰С).

Рис.2 Эскиз образца Френча для определения уровня и знака закалочных напряжений

Рис.3 – Сравнительные кривые объемного охлаждения металла в различных жидких закалочных средах (Петраш Л.В.)

Масла, как закалочные среды, обладают рядом положительных параметров, обусловливающих минимальный уровень сжимающих остаточных напряжений и коробление изделий. Это возможно за счет смещения максимума интенсивности охлаждения в область температур поверхности закаливаемого изделия до 450-550⁰С (металл находится в пластичном состоянии и происходит быстрая релаксация термических и структурных напряжений) и резкогоснижения скорости охлаждения в мартенситном интервале температур.

Вода с температурой примерно до 35 - 40⁰С обладает существенно более высокой интенсивностью равномерного охлаждения металла во всем температурном интервале при закалке, а максимум теплоотвода от поверхности детали находится в области температур 300-250⁰С, когда металл уже находится в упругом состоянии, дислокации обладают очень низкой подвижностью и затруднена релаксация напряжений. В области температур мартенситного интервала вода охлаждает с высокой скоростью, что увеличивает уровень остаточных напряжений и вероятность коробления, деформации и даже разрушения детали. С повышением температуры закалочной ванны с водой (вплоть до кипения) происходит увеличение длительности стадии пленочного кипения и неравномерности охлаждения, снижение интенсивности охлаждения, а также смещение максимума теплоотбора в область более низких температур – до 180-160⁰С для кипящей воды. При этом с повышением температуры воды свыше ≈80⁰С происходит резкое увеличение ее коэффициента теплоотдачи при сокращении временного интервала интенсивного теплоотбора, т.е. по сути происходит термоудар, на который металл реагирует резким увеличением уровня термических и структурных напряжений. Именно этим обусловлено частое разрушение металлоизделий при закалке в воде с температурой выше 80⁰С.

Использование в качестве закалочных сред водных растворов хлоридов с температурой 60⁰С - температура кипения приводит к уменьшению интенсивности охлаждения металла и смещению максимума теплоотбора в сторону температур металла 500-700⁰С, что существенно снижает уровень остаточных напряжений и увеличивает мартенситную прокаливаемость за счет повышения скорости охлаждения в перлитном интервале температур (рис.3, кривая 4, табл.3 - значения для водного раствора хлорида натрия). Использование в качестве закалочных сред водных растворов хлоридов повышает также и равномерность закалочного охлаждения за счет уменьшения или полного устранения стадии пленочного кипения и обусловленного этим неравномерного (пятнистого) охлаждения, существенно увеличивающего остаточные напряжения в металле деталей.

4-равномерность нагрева и охлаждения детали.

Неравномерный нагрев (охлаждение) изделия при термообразотке приводят к увеличению вероятности коробленияи\или деформации из-за неоднородности температурных и структурных напряжений в обрабатываемой детали. Поэтому перед закалкой деталь должна быть прогрета до выравнивания температуры по сечению (кроме случая поверхностной или локальной закалки), а в случае охлаждения необходимо обеспечить равномерность ее охлаждения.

5- вес и геометрия термообрабатываемого изделия;

Вес и форма изделий существенно влияет на уровень остаточных напряжений, соответственно на коробление и деформацию деталей. Увеличение отношения площади поверхности к объему детали, тем интенсивнее происходит закалочное охлаждение, а наличие на поверхности детали углублений и отверстий приводит к неравномерности охлаждения из-за образования локальных областей с устойчивой паровой пленкой и увеличение интенсивности охлаждения в объемах металла, где сопрягаются плоскости поверхностей (иногда называют это эффектом торцевого охлаждения).

6- температура нагрева под режим термообработки;

Увеличение температуры аустенитизации приводит к росту зерна и повышению гомогенности аустенита, что увеличивает его устойчивость при последующем охлаждении, т.е. уменьшает значения критической скорости охлаждения. Но при увеличении температуры нагрева и времени выдержки в печах с окислительной атмосферой происходит увеличение скорости и глубины обезуглероживания металла поверхности, образования окалины, что приводит при закалке к увеличению степени коробления и деформации. Закалочные напряжения повышаются в результате перегрева обрабатываемой детали и возрастают с увеличением размера зерна.

7-способ нагрева металла до заданной температуры.

Способ нагрева металла детали под термообработку влияет на равномерность распределения температуры по объему, однородность состава аустенита, на состояние поверхности (обезуглероживание, окалинообразование), соответственно на степень ее коробления и деформации. При нагреве в соляных ванных, электролитах и ТВЧ отмечается меньший уровень коробления и деформации деталей по сравнению в нагревом в печах с окислительной атмосферой. Известно, что при нагреве металла в области температур упруго-пластической области возникает опасный уровень напряжений, особенно в сталях и сплавах с низкой теплопроводностью, что требует замедленного или ступенчатого нагрева. Считается общепринятым, что для углеродистых сталей замедленный нагрев (или с изотермической выдержкой для прогрева по сечению) целесообразно вести в области температур до ≈400-500⁰С, для легированных ≈500-600⁰С. В указанных температурных интервалах прочностные свойства сталей резко снижаются, а в изделии облегчается протекание релаксации возникших напряжений. На практике часто используют ступенчатый нагрев с изотермическими выдержками, достаточными для прогрева металла по сечению и релаксации возникших напряжений. При нагреве под термическую обработку крупногабаритных изделий и деталей из легированных сталей и сплавов это требование является обязательным.

В практике термической обработки достаточно большой объем занимает нагрев металла изделий токами высокой или промышленной частоты (ТВЧ или ТПЧ). При этих способах производится нагрев поверхностных слоев металла деталей на различную глубину. При таком нагреве под закалку распределение остаточных напряжений (наружная поверхность цилиндра) является наиболее неблагоприятным – на поверхности детали (при сравнительно неглубоком прогреве) возникают сжимающие напряжения, а на некотором расстоянии от поверхности возникают значительные по величине тангенциальные и осевые растягивающие напряжения. Радиальные напряжения во всем сечении растягивающие, на поверхности их уровень равен нулю, на границе закаленного слоя они достигают своего максимума, а затем уменьшаются.

Благоприятное распределение остаточных напряжений происходит в металле деталей, подвергаемых комбинированной обработке - химико-термической (ХТО). В деталях, которые подвергаются азотированию (температура обычно ниже критической точки А_С1), остаточные напряжения возникают за счет фазовых превращение, происходящих в процессе насыщения металла поверхностного слоя детали азотом. При этом происходит образование фаз со значительно большим удельным объемом по сравнению с подложкой. В результате в поверхностном азотированном слое образуются сжимающие напряжения, а в металле, который находится глубже азотированного слоя, возникают растягивающие напряжения. Наиболее благоприятное распределение остаточных напряжений наблюдается в металле деталей, которые подвергаются цементации с объемной закалкой – высокий уровень сжимающих напряжений в достаточно глубоком поверхностном слое детали и смещение максимума растягивающих напряжений к центру детали.

8-способ закалочного охлаждения детали и температура конца принудительного охлаждения изделия

При выборе способа закалочного охлаждения необходимо учитывать достаточно много факторов, часто влияющих в противоположном направлении на качество изделия. Для уменьшения уровня термических напряжений, особенно в крупногабаритных деталях сложной формы, целесообразно осуществлять подстуживание металла (на воздухе, а более эффективно с использованием печей или ванн с изотермической выдержкой в них) от температуры аустенитизации до температур, близких к A_R3 или A_R1. Для изделий из сталей с высокой устойчивостью аустенита к распаду (низкая критическая скорость охлаждения) возможно проводить подстуживание металла с аустенитной структурой до температур ≈500-600⁰С или даже ниже. Так, например, при закалке деталей из стали типа Р18, в которой аустенит устойчив к распаду и может переохлаждаться до температур примерно 300-350⁰С, подстуживание от температуры аустенитизации можно осуществлять до указанных значений с последующим охлаждением в масле. Уровень напряжений при этом снижается в 7-8 раз, а коробление инструмента при этом минимально.

Для снижения уровня термических и температурных напряжений при закалке изделий сложной геометрической формы и большой разнотолщинности рекомендуется использовать режимы купания, прерванного охлаждения и другие технологические приемы, способствующие уменьшению температурного градиента по сечению детали (но при этом обеспечивающие интенсивность охлаждения на уровне ≥V_КР).

В ранних работах И. А. Одинга указывалось, что моментом возникновения превалирующего уровня остаточных напряжений при охлаждении является момент достижения детали температурного интервала, в котором металл из пластичного состояния переходит в упругое. Величина таких напряжений определяется температурным перепадом между поверхностью и центром перед таким переходом. Для углеродистых сталей таким температурным интервалом является примерно область около 400⁰С, а для легированных около 500⁰С. Более поздние исследования показали, что пластичность металла определяется не термоупругими напряжениями, а отношением интенсивности напряжений к пределу текучести металла при конкретных условиях (температура+ структура металла) и опасный уровень напряжений может возникнуть при температурурах как выше, так и ниже указанных границ области перехода в упругое состояние. Знание таких особенностей возникновения остаточных напряжений позволяет правильно выбрать режим закалочного охлаждения, способного обеспечить требуемую мартенситную прокаливаемость металла и минимальный уровень коробления и деформации.

Существенную роль на уровень коробления и деформации при закалке играет геометрическая форма, поэтому для каждой конкретной детали необходимо выбирать ее расположение при опускании в охлаждающую среду (рис. 4).

Рис. 4 - Рекомендуемые способы погружения изделий различной формы в охлаждающую среду при закалке (Петраш Л.В.)

Так, для длинномерных полых деталей погружать их в закалочную среду необходимо вертикально, т.е. вдоль максимальной оси, а диски погружать ребром. При наличии специального оборудования целесообразно детали сложной формы закаливать в заневоленном состоянии (под прессом). Для увеличения равномерности охлаждения необходимо повысить скорость истечения охлаждающей жидкости относительно поверхности детали для предотвращения пленочного кипения и устранения локальных мест образования паровой рубашки. Это достигается перемешиванием охлаждающей среды, движением детали в охладителе или сокращением (выклиниванием) стадии пленочного кипения за счет увеличения электропроводности охлаждающей среды (например, добавление солей хлоридов в воду, металлических опилок в масло и т.д.). Для предотвращения коробления и деформации деталей используются различные способы закалки (прерывистая или в двух средах, ступенчатая, закалка с самоотпуском или одинарная, закалка в горячих средах, закалка купанием, изотермическая закалка).

Практический интерес представляет закалка в закалочных баках с невысоким избыточным давлением над зеркалом (до 20х10⁵ Па), что позволяет изменять температуру поверхности металла детали и таким образом управлять (ускорять или задерживать) процесс превращения аустенита в мартенсит. Достигая таким образом высокофорсированного теплообмена (Bio→∞, при достижении скорости, выше традиционной V_КР, начиная с некоторой критической интенсивности охлаждения) в области температур мартенситного превращения на поверхности стальных деталей образуется слой с более высокой плотностью дислокаций и прочностью, что обусловливает возникновение высокого уровня сжимающих напряжений и уменьшение вероятности образования микротрещин в металле детали.

На практике при реализации упрочняющих режимов термической обработки крупногабаритных изделий (типа валков прокатных станов, роторов турбин и др.) с целью целенаправленного изменения распределения напряжений по сечению детали при ее изготовлении делают центральные осевые каналы, через которые при закалке прокачивается закалочная среда. При такой схеме изготовления и закалки получается более благоприятное распределение остаточных напряжений, предотвращающих растрескивание металла крупногабаритных деталей (рис. и рис.9,в), а также увеличивается прокаливаемость металла.

1 – поверхность валка; 2- внутренний канал в валке;

Рис. Схема распределения остаточных напряжений в металле бочки после традиционной объемной закалки рабочего прокатного валка с цапфами (с осевым каналом), защищенными от интенсивного охлаждения кожухом [Карлесс П. и др. ]

Важным параметром закалочного охлаждения, существенно влияющим на уровень остаточных напряжений в изделии и определяющим структурное состояние металла, является температура конца его ускоренного охлаждения. Для снижения уровня остаточных напряжений в изделиях определенной формы из сталей с высокой устойчивостью аустенита к распаду при охлаждении используют прерванное ускоренное охлаждение при температурах металла свыше 100-150⁰С (т.е. в интервале мартенситного превращения).

Возможны такие варианты режима закалки с прерванным охлаждением:

-когда после прерванного интенсивного охлаждения в закалочной среде в металле при последующем охлаждении на воздухе происходит практически полное превращение аустенита;

-когда после прерванного интенсивного охлаждения в металле часть нераспавшегося аустенита остается (в том случае, если это не влияет на размеры изделия) и в нем релаксируются возникшие напряжения, а полный распад А_ост происходит уже в процессе последующего отпуска (с одновременным снижением уровня напряжений).

9-исходная структура металла детали перед закалкой.

Известно, что разные структурные составляющие стальных деталей имеют различный удельный объем при нагреве, фазовых и структурных превращениях. На практике для уменьшения уровня остаточных напряжений в деталях и снижения затрат на финишную доводку формы детали до требований чертежа (фрезерование, точение, шлифовка) стремятся иметь исходную структуру металла близкую к структуре после финишной термообработки. Для получения однородного по составу аустенита при финишной аустенитизации стремятся в исходном металле иметь тонкодисперсную структуру троостита или сорбита. Оптимальной структурой в сталях при наличии карбидной фазы является структура с мелкими и равномерно распределенными карбидами. Это позволяет снижать степень коробления после финишной закалки.

При реализации ускоренного охлаждения деталей в процессе термообработки температура металла, удаленного на разные расстояния от поверхности, будет подвергаться различной интенсивности нагрева или охлаждения, что приводит к возникновению разности температур по сечению детали (градиент температуры). На рис. 5 и 6 приведены кривые охлаждения металла стального шара диаметром 25мм при охлаждении его в воде и в масле от температуры 875⁰С, а также кривые, характеризующие изменение разности температур между металлом поверхности и центра в течение определенного времени охлаждения в этих средах. Из рис.5 и 6 видно, что наибольшая разность температур возникает при охлаждении шара в воде в первые секунды процесса закалки, при этом скорость охлаждения металла на поверхности шара значительно выше, чем в центре (максимальный градиент температур). После некоторого времени охлаждения (примерно 0,2 сек) скорость охлаждения металла поверхности замедляется, а металла центра увеличивается, при этом градиент температур уменьшается.

Рис.5 Кривые изменения температуры металла поверхности и центра стального шара диаметром 25мм при охлаждении в воде от температуры 8750С (б-кривая охлаждения центра шара; а –кривая охлаждения поверхности шара; в –кривая, характеризующая изменение разности температур между поверхностью и центром шара)

Рис.6 Кривые изменения температуры металла поверхности и центра стального шара диаметром 25мм при охлаждении в масле от температуры 8750С (б-кривая охлаждения центра шара; а –кривая охлаждения поверхности шара; в –кривая, характеризующая изменение разности температур между поверхностью и центром шара) При закалке в масло с реализацией полиморфного превращения тепловая составляющая остаточных напряжений существенно меньше, по сравнению с закалкой в воду.

При закалке в масле максимальная скорость охлаждения наблюдается по прошествии более длительного времени из-за наличия устойчивой стадии пленочного кипения. При этом интенсивность охлаждения металла в масле на всех стадиях закалки значительно ниже, чем в воде, а соответственно и разница температур между поверхностью и центром. Возникновение разности температур (температурного градиента) между поверхностью и центром шара вызывает образование внутренних напряжений в металле из-за различных объемных состояний металла шара. При этом возникающие напряжения увеличиваются до максимума в момент времени, когда температура поверхности шара снижается до температур упругой области металла (ниже 300⁰С).

Следует отметить, что при нагреве и охлаждении металла изменение объема происходит вследствие теплового расширения или сокращения металла, а также из-за структурных и фазовых превращений. Поэтому при рассмотрении процесса возникновения внутренних напряжений в металле целесообразно различать тепловые (термические) и структурные напряжения. Таким образом, в дальнейшем при рассмотрении остаточных напряжений будем разделять их на термические и структурные напряжений.

Возникновение тепловых (термических) напряжений при быстром охлаждении металлоизделий обусловлено разной скоростью охлаждения металла поверхностных слоев и центральных, из-за чего возникает температурный градиент (перепад температуры по сечению) и образование различного уровня напряжений и их знака (растягивающие и сжимающие).

Например, в металле шара, нагретого до температуры ниже А_С1 (отсутствует  фазовый переход), при последующем равномерном охлаждении возникает градиент температуры по сечению шара (рис. 7,а), что приводит к возникновению только термических окружных напряжений растяжения (условно имеют знак плюс - см.позицию 1 на рис.7,а).

С- центр шара; К- поверхность (сжимающие напряжения имеют знак минус («-»), а растягивающие знак плюс («+»);

Рис. 7. -Схема изменения термических (тепловых) напряжений (а) в металле поверхности и центра в процессе охлаждения шара от температур ниже А_С1(отсутствует фазовый переход) и структурных напряжений (б) при закалке с полной мартенситной прокаливаемостью (Нахимов Д.М.)

По мере протекания процесса охлаждения и увеличения градиента температур уровень растягивающих напряжений увеличивается и достигает максимума при максимуме температурного градиента (рис. 7, а - сплошная линия).

При дальнейшем охлаждении металла происходит снижение уровня временных растягивающих напряжений до нуля и вновь они увеличиваются (ниже точки пересечения временной линии координат на рис 7а, сплошная линия верхнего графика), но при этом напряжения меняют знак на противоположный (т.е. на минус). В том случае, если бы деформация изделия в результате возникших напряжений происходила бы только в упругой области, то после охлаждения металла остаточные напряжения были бы равны нулю. Но в действительности в начальный период охлаждения шара при высокой температуре металл находится в пластическом состоянии и под влиянием возникающих термических напряжений он пластически деформируется. При этом диаметр поверхностного слоя металла шара мог бы быть больше исходного размера в том случае, если бы изменение объема металла поверхностного слоя не испытывало воздействия со стороны металла внутреннего объема, который имел сжимающие напряжения (пунктирная линия на верхнем графике рис. 7,а). Таким образом, сплошность металла изделия приводит к перераспределению знака напряжений в металле поверхностных и центральных объемов. После охлаждения в поверхностном слое получаются сжимающие («-»), а в центральных слоях – растягивающие («+») остаточные напряжения (рис. 7,а, позиция Ш). Таким образом, возникновение остаточных напряжений связано с неравномерной деформацией отдельных участков изделия. Только в случае равномерного охлаждения металла изделия не происходит искажения его формы (коробление) и изменения размеров (деформация).

В том случае, когда аустенитизация металла была проведена при температурах выше критических точек и скорость охлаждения при закалке была ≥V_КР, достигается сквозная мартенситная прокаливаемость шара. Условно считая, что термических напряжений в шаре нет, рассмотрим процесс возникновения и перераспределения структурных напряжений (рис.7,б). При переохлаждении шара ниже температуры точки Мн мартенсит образуется в первую очередь в поверхностном слое металла, где температура Мн достигается раньше по отношению к сердцевине. Превращение γ→α с образованием мартенсита сопровождается увеличением объема, что приводит к возникновению в поверхностных слоях металла временных сжимающих напряжений, а в срединных – растягивающих (позиция 1 на рис.7,б). В процессе закалки знак напряжений в металле поверхностных и срединных слоев шара меняется и после закалки структурные напряжения будут иметь знак «+» - растягивающие на поверхности и знак «-» сжимающие в центре (рис. 7,Б, позиция Ш), т.е. структурные напряжения имеют противоположный знак по отношению к термическим.

На практике при закалке деталей одновременно возникают термические и структурные напряжения и в зависимости от действия большого количества факторов суммарные остаточные напряжения могут быть различными (в одних случаях превалируют структурные, в других термические).

Результаты исследований показали, что характер этих деформаций подчиняется следующей зависимости:

-в тех объемах металла, в которых охлаждение завершается в последнюю очередь, под воздействием термических напряжений возникает относительное уменьшение размера, а термические напряжения (осевые и окружные) после охлаждения изделия имеют знак «+» (растягивающие напряжения). Поэтому в зависимости от формы термически обрабатываемого тела после многократных термоциклов (нагрев ниже А_С1 –охлаждение) меняют свою форму (рис.8). В деталях с формой куба после многократных термоциклов из-за сокращения диагонали происходит изменение формы и приближение ее к форме шара.

а-начальная форма; б- после воздействия термоциклов.

Рис.8 Деформация стальных образцов разной формы под воздействием термических напряжений

В цилиндрических образцах, высота которых больше диаметра, после термоциклирования происходит уменьшение высоты и увеличение диаметра. При отношении высоты к диаметру менее единицы происходит сокращение диагоналей и соответственно происходит увеличение высоты и уменьшение диаметра.

В полом цилиндре после охлаждения только с наружной поверхности от температур ниже А_С1 в металле поверхностного слоя возникают термические окружные сжимающие напряжения, а в глубинных слоях, остывающих последними, – растягивающие (рис.9,а).

а- охлаждение снаружи; б-охлаждение внутри; в-охлаждение снаружи и внутри (сжимающие «-», растягивающие «+» остаточные напряжения).

Рис. 9 – Остаточные тепловые напряжения при охлаждении в воде полого цилиндра (Нахимов Д.М.)

При охлаждении полого цилиндра только изнутри (рис. 9 ,б) знак остаточных напряжений изменяется. Наиболее благоприятное распределение в металле полого цилиндра наблюдается при двухстороннем охлаждении, т.е. изнутри и снаружи (рис. 9 ,в) – в поверхностных слоях металла сжимающие, а в средней зоне по толщине стенки цилиндра растягивающие напряжения.`

На рис. 10 и 11 приведены типичные эпюры остаточных напряжений в металле образцов (диаметр 102мм и длиной 140мм) из хромоникелемолибденовой стали после сквозной закалки в воде и масле. Из приведенных рисунков видно, что при закалке в воде на поверхности образцов возникают сжимающие («-») окружные и осевые напряжения, а после закалки в масло эти напряжения имеют более высокий уровень сжимающих напряжений, проникающих на большую глубину поверхностного слоя металла. При закалке в воде в момент достижения температур мартенситного превращения металлом поверхностного слоя в детали имеется большой температурный градиент между поверхностью и центром. В металле поверхности образуется мартенсит, в котором значительная часть упругой деформации в момент  превращения переходит в остаточную. При этом металл сердцевины имеет более высокую температуру и, подвергаясь дальнейшему охлаждению сжимается. Это приводит к образованию на поверхности изделия сжимающих напряжений.

а- окружные напряжения; б –осевые; в – радиальные.

Рис. 10 – Остаточные напряжения в образце диаметром 102мм и длиной 140 мм из конструкционной хромоникелемолибденовой стали после сквозной закалки в воде. Отпуск 100⁰С (Нахимов Д.М.)

а- окружные напряжения; б –осевые; в – радиальные.

(сжимающие «-», растягивающие «+» остаточные напряжения)

Рис. 11 –Остаточные напряжения в образце диаметром 102мм и длиной 140мм из конструкционной хромоникелемолибденовой стали после сквозной закалки в масле. Отпуск 100⁰С (Нахимов Д.М.).

.

Этот процесс усиливается еще и тем, что в металле поверхностного слоя остается меньшее количество остаточного аустенита (по сравнению с центром), что увеличивает удельный объем стали на поверхности. Образуются напряжения от неоднородности структурного состояния, приводящие к образованию на поверхности напряжения сжатия.

При закалке в масло температурный перепад в металле поверхности и центра при мартенситном превращении меньше (см.рис. 5,6). Поэтому составляющая, соответствующая термическим напряжениям, мала, и на поверхности преобладают сжимающие окружные и осевые структурные напряжения (рис.11).

Таким образом управлять знаком и уровнем остаточных напряжений в металле термически обрабатываемых деталей возможно за счет применения различных технологических приемов и оптимизации параметров режимов нагрева и охлаждения металла. Получение в металле поверхностных слоев термообрабатываемых деталей остаточных сжимающих напряжений и в срединных слоях невысокого уровня растягивающих остаточных напряжений позволяет существенно повысить ресурс работы деталей и исключить растрескивание металла и отбраковку деталей.