5. Технология термической обработки стали. Закаливаемость и прокаливаемость стали.

Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость стали определяется содержанием углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше твердость. Легирующие элементы большого влияния на закаливаемость не оказывают.

Под прокаливаемостью понимают способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троосто-мартенситной структурой на ту или иную глубину. Прокаливаемость зависит от скорости охлаждения. Если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую скорость закалки, то сталь получит мартенситную структуру и будет иметь сквозную прокаливаемоть.

Если скорость охлаждения в сердцевине изделия не превышает критическую, то прокаливаемость будет неполной. В сердцевине изделия структура будет представлять пластины перлита (сорбита или троостита), а наружные слои будут иметь структуру мартенсита.

За глубину закаленного слоя условно принимается расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50% мартенсита+50% троостита). Твердость полумартенситной структуры зависит от содержания в стали углерода. Чем больше в стали углерода, тем больше твердость полумартенситной зоны.

Прокаливаемоть тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, то есть чем выше устойчивость переохлажденного аустенита. Легированные стали из-за большой устойчивости переохлажденного аустенита и меньшей критической скорости охлаждения прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость добавки Mn, Cr, Mo, B (в малых количествах), менее сильно влияют Ni, Si.

Устойчивость переохлажденного аустенита повышается, а критическая скорость закалки уменьшается только при том условии, если легирующие элементы растворены в аустените. Если легирующие элементы находятся в виде избыточных частиц карбидов, то они уменьшают устойчивость аустенита и облегчают его распад, что увеличивает критическую скорость закалки и уменьшает прокаливаемость.

При сквозной закалке твердость стали по всему сечению изделия одинакова. При несквозной закалке твердость падает при движении от поверхности к сердцевине.

Прокаливаемость даже одной и той же марки стали может изменяться в различных пределах, что зависит от химического состава стали, величины зерна, размера и формы изделия и др.

6. Технология термической обработки стали. Внутренние напряжения в закаленной стали.

Внутренние напряжения при закалке стали возникают вследствие неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины (тепловые напряжения), увеличения объема и неоднородности протекания мартенситного превращения по объему изделия (фазовые напряжения).

Неодинаковое распределение температур по сечению изделия при быстром охлаждении приводит к тому, что поверхностные слои сжимаются быстрее чем внутренние. Однако сжатию поверхностных слоев препятствуют внутренние слои, что приводит к образованию в поверхностных слоях временных растягивающих напряжений, а во внутренних слоях – сжимающих напряжений.

После того как поверхность охладится, внутренние слои будут испытывать тепловое сжатие, в результате чего произойдет изменение знака напряжений на поверхности и в сердцевине. После окончательного охлаждения на поверхности останутся остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине – напряжения растяжения.

Появление фазовых напряжений можно объяснить следующим образом. При быстром охлаждении мартенсит образуется в поверхностных слоях раньше чем в сердцевине, так как они быстрее охладятся до температуры М_н. Превращение аустенита в мартенсит связано с увеличением объема. Фазовые напряжения, в отличие от тепловых, меняются в обратном порядке. В результате мартенситного превращения на поверхности образуются остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине – напряжения сжатия.

Остаточные напряжения всегда меньше временных напряжений, возникающих при нагреве (охлаждении) стали.

Если величина напряжений превышает сопротивление отрыву и металл мало пластичен, то такие напряжения не могут быть уменьшены пластической деформацией. Это вызывает образование трещин.

Структурные напряжения тем больше, чем выше температура закалки и скорость охлаждения в интервале температур М_н—М_к. Для снижения структурных напряжений необходимо избегать перегрева стали и замедлить скорость охлаждения ниже точки М_н.