Обезуглероживание стали

При нагреве, одновременно с окислением железа, происходит окисление углерода на поверхностном слое стали. Обезуглероживание вызывает изменение механических свойств. Сталь с обезуглероженной поверхностью обладает малой сопротивляемостью против статических нагрузок, имеет низкий преде­л усталости и склонна к короблению.

На обезуглероживание влияет ряд факторов, основные из которых температура, время нагрева, состав печной атмосферы, химический состав стали.

С повышением температуры глубина обезуглерожива­ния увеличивается.

Чем быстрее идет процесс нагрева, тем меньше обезуглероживание.

В печной атмосфере наибо­лее обезуглероживающей средой служит водяной пар, затем водо­род, кислород и, наконец, двуокись углерода.

Наиболее подвержены обезуглероживанию стали со значительным содержанием угле­рода, например шарикоподшипниковые, инструментальные и др. Из ле­гирующих элементов обезуглероживанию способствуют алюми­ний, кобальт и вольфрам; хром и марганец задерживают обезугле­роживание. Кремний, никель и ванадий не оказывают существен­ного влияния на обезуглероживание.

Влияние на глубину обезуглероживания прокатного или тянутого металла оказывает степень обжатия. Чем больше обжатие и увеличение удельной поверхности изделия, тем меньше глубина обезуглероживания конечного продукта прокатки.

Обезуглероживание также зависит от скорости окисления поверхности металла. Если скорость окисления больше скорости обезуглероживания, то обезуглероженного слоя не образуется.

Эффективными способами уменьшения обезуглеро­живания являются: при нагреве стали перед обработкой давлением—скоростной нагрев в пламенных печах, а при на­греве до 1000–1100 °С – в муфельных и электрических печах с контролируемой атмосферой.

Перегрев и пережог

Явление перегрева и пережога возникают при несоблюдении температурного режима нагрева. Особенно часто при нагреве стали выше температур 1150–1300 °С.

Перегрев металла наступает при значительном укруп­нении зерен, когда связь между ними ослабевает, при этом механическая прочность металла падает и становится возможным образова­ние в нем трещин. Перегретый металл исправляют нормальным отжигом.

Пережог, в отличие от перегрева, исправить нельзя. Такой металл от­правляют в переплавку. При пережоге кислород проникает внутрь металла и происходит окисление и оплавление его зерен. При пережоге чрезвычайно падает прочность металла и он совершенно не выдерживает меха­нической обработки.

Температурные напряжения

С повышением температуры тела расширяются. Массивные тела по сечению нагреваются с разной скоростью. Наружные слои нагреваются сильнее и стремятся расширяться и поэтому находятся в сжатом состоянии. Более холодные внутренние слои испытывают растягивающие усилия. Таким образом, возникают температурные напря­жения.

Если металл пластичен, то под действием температурных напряжений происходит его пластическая деформация, при этом напряжения уменьшаются. Если же металл не достаточно пластичен, то величина напряжений может достигнуть предела упругости, который в данном случае близок к пределу прочности, и произойдет разрушение.

Сталь (за исключением некоторых специальных марок) переходит в пластическое состояние при 500 °С, а до этой температуры обла­дает упругостью. Для углеродистых сталей переход в пластическое состояние осуществляется при 400 °С. Следовательно температурные напряжения представляют опасность только в начале нагрева.

Опасность разрушения также часто усугубляется остаточными напряжениями. Данные напряжения возникают в том случае, если металл ранее подвергался нагреву и последующему охлаждению. Наружные слои охлаждаются быстрее, чем внутренние. После того как наружные слои охладились до температур, при которых металл теряет пластичность, темпера­тура внутренних слоев, которые еще пластичны, продолжает уменьшаться, и они стремятся уменьшить свой объема. В результате наружный слой испытывает сжимающие, а внутренний – растягивающие напряжения, которые из-за малой пластичности холодного не сни­маются. Таким образом, знаки напряжений, возникающих при по­вторном нагреве, и остаточных одинаковые, т. е. они склады­ваются. Особенно опасны остаточные напряжения, возникающие при затвердевании слитков. Допустимую разность температур поверхности и центра нагреваемого металла можно определить по следующим формулам:

для пластины К,

цилиндра К,

где – допускаемое напряжение, ; – коэффициент линейного расширения, ; Е – модуль упругости, .