3. Внутрішні напруження в загартованих сталях

Під час загартування стальних виробів йде нерівномірне охолодження їх поверхні і серцевини, внаслідок чого виникають напруження, які називають тепловими. Збільшення об'єму і неоднорідність структуроутворення при мартенситному розпаді аустеніту викликає появу інших напружень, які називаються структурними або фазовими.

Неоднакове розподілення температур по перерізу виробу при швидкому охолодженні спочатку приводить до появи на поверхні розтягуючих напружень, а всередині - стискаючих. Потім в деякий момент відбувається зміна знаку напружень, і після остаточного охолодження на поверхні виробу з'являються стискаючі напруження, а всередині - розтягуючі (рис. 204,а).

Р ис. 204. Схеми епюр залишкових напружень:

а) теплові;

б) структурні;

в) сумарні.

Структурні напруження, пов'язані з утворенням мартенситу спочатку на поверхні, а потім всередині виробу, також призводять до того, що знак напружень змінюється, але у оборотному порядку. І тоді (без врахування теплових напружень) в результаті мартенсит- ііого перетворення на поверхні утворюються розтягуючі залишкові напруження, а в серцевині - стискаючі (рис. 204,6). Ці залишкові напруження, як нтеплові, виникають в результаті появи під дією шмчасових напружень не тільки пружної, але й неоднакової по перерізу пластичної деформації. Під час загартування теплові й структурні напруження підсумовуються (рис. 204,в). В даній схемі і силові напруження на поверхні перевищують структурні, тому на поверхні зберігаються напруження стискання. Однак, в залежності від співвідношення між тепловими і структурними напруженнями можуть утворитись різні епюри сумарних напружень. Залишкові напруження завжди менші тимчасових напружень, що утворюються в процесі охолодження. Коли величина напружень перевищує опір

відриву і метал мало пластичний, то напруження не можуть бути зменшені пластичною деформацією, і в результаті виникають тріщини. Найбільш небезпечні при цьому розтягуючі напруження на поверхні. Вони сприяють утворенню тріщин і знижують границю витривалості сталі.

Розтягуючі напруження виникають в основному внаслідок структурних напружень, які необхідно зменшувати. Структурні напруження тим більші, .чим вищі температура загартування і швидкість охолодження в інтервалі температур М„ і Мь Для зниження структурних напружень треба уповільнювати швидкість охолодження нижче точки М„ і не допускати перегріву сталі.

Загартована сталь завжди знаходиться в структурно-напруже- ному стані. Відпуск - необхідний і радикальний засіб зменшення залишкових напружень.

3. Способи загартування

В залежності від складу сталі, форми і розмірів деталей, а також від властивостей, яких потребують умови експлуатації, слід вибирати оптимальний спосіб гартування.

г

Нагрсб

Найбільш широко застосовують

Рис. 205. Криві охолодження для різних способів гартування на діаграмі ізотермічного розпаду аустеніту.

артування в одному охолоджувачі (рис. 205, крива 1). Таке гартування називають безперервним. Після нагріву до заданої температури деталь занурюють в охолоджуючу рідину, де вона залишається до повного охолодження. В такий спосіб загартовують нескладні деталі із вуглецевих і легованих сталей. При цьому для деталей з вуглецевих сталей діаметром більше 2-5мм середовищем охолодження служить

нода, а для деталей менших розмірів і для багатьох деталей, виготовлених з легованих сталей, загартовуючим середовищем являється мінеральне масло.

Інколи для зменшення внутрішніх напружень деталь відразу не охолоджують у воді, а деякий час тримають на повітрі. Такий спосіб загартування називається загартуванням з підстуженням.

Переривчасте загартування здійснюється шляхом охолодження у двох середовищах (рис. 205, крива 2). Спочатку деталь (або інструмент) охолоджують швидко, наприклад у воді, а потім переносять в інше середовище з меншою охолоджуючою спроможністю, наприклад, в масло. Такий спосіб охолодження називається "через воду в масло". При цьому перше охолодження у воді дає можливість швидко переохолодити аустеніт, не дозволяючи йому розпадатись в області перлітних перетворень; друге охолодження (в маслі) відбувається в районі мартенситного перетворення, що зменшує залишкові напруження.

Струмінчасте загартування заключаєгься в тому, що деталі обприскують струменем води. Цей вид застосовують інколи тоді, коли необхідно загартувати тільки частину деталі, або для загартування тонкого листа.

Ступінчасте загартування проводиться за схемою кривої З (рис. 205). Заготівки або деталі після нагрівання переносяться в середовище з температурою, вищою М_п, (наприклад, 250°С), в якому вони знаходяться, поки не знизиться температура по всьому перерізу. Потім охолодження до нормальної температури ведеться па повітрі. Ступінчасте загартування забезпечує утворення мартенситу, але два ступеня охолодження зменшують внутрішні теплові напруження, тому зменшується жолоблення деталей.

Ізотермічні загартування виконується по такій же схемі, як і ступінчасте (рис.205, крива 4), але в даному випадку видержка при температурі вище М„ збільшується і продовжується до тих пір, поки переохолоджений аустеніт не перетвориться в нижній бейніт. У більшості легованих сталей розпад аустеніту в бейніт не йде до кіпця, і, коли після видержки сталь охолоджують на повітрі, то може відбутися мартенситне перетворення. Але воно також не йде до кінця, тому в структурі виробу може зостатися ще 10-20% залишкового аустеніту. При такій змішаній структурі (Б+М+А) деталь має високу міцність при достатньо високій ударній в'язкості. Ізотермічне загартування призначається для дуже відповідальних виробів з легованих сталей і забезпечує значне підвищення їх конструктивної міцності.

Охолоджуючим середовищем, як під час ступінчастого, так і під час ізотермічного загартування, служать розплавлені солі (наприклад, 55%КИ0₃ + 45%№М0₃) або луги (наприклад, 20% ИаОН + 80% КОН). Такі ванни дорого обходяться виробництву, і тому ступінчасте і ізотермічне загартування впроваджують для дуже відповідальних деталей.

Обробку сталей холодом можна віднести до одного із засобів охолодження деталей і інструменту після загартування. Якщо в структурі деталі крім мартенситу залишається великий відсоток аустеніту, і він знижує міцність, твердість, зносостійкість, то одразу після загартування таку деталь необхідно перенести в холодильну камеру для охолодження до температур нижче 0°С (інколи до температури -70°С і нижче). Таке охолодження стимулює процес розпаду аустеніту в мартенсит, тому твердість сталі підвищується на (1...3) НКС. При цьому збільшується об'єм, підвищуються магнітні характеристики, стабілізуються розміри виробів. Але зростають напруження, тому після обробки холодом рекомендується негайно проводити відпуск. ¹³

в

втмо

о

Час

Рис. 206. Класифікація основних видів термомеханічної обробки.

кристалізації (тобто зна-

ключає деформацію аустеніту вище температури рекристалізації (звичайно вище критичних точок) і швидке охолодження (загартування) сталі; 2) низькотемпературна термомеханічна обробка (НТМО), яка складається із деформування аустеніту

дислокацій під час механічних випробувань сталі. В результаті після ВТМО збільшується міцність, а також збільшується пластичність і ударна в'язкість; зменшується схильність до крихкого руйнування і росте опір поширенню тріщин.

а) б)

Рис. 207. Дислокаційна структура залишкового аустеніту (світлий) і мартенситних кристалів після ВТМО високовуглецевої хромистої сталі (1_ауст=1100'С; І_лсф=90(ТС;

Єф=30-35%; т =10-20с): а) сплетіння дислокацій в аустеніті, які наслідуються мартенситом, х37500; б) дислокаційні субмежі аустеніту наслідуються мартенситними кристалами, х 30000.

Під час НТМО переохолоджений аустеніт деформується в області його підвищеної стійкості, але обов'язково нижче температури початку рекристалізації, а потім перетворюється в мартенсит. Після цього проводять низьке відпускання. Причина зміцнення сталі при НТМО - наслідування мартенситом дислокаційної структури деформованого аустеніту. Холодною деформацією неможливо сильно зміцнити сталь з мартенситною структурою. Це пояснюється тим, що мартенсит, який містить вуглець, крихкий і не підлягає великій деформації. Аустеніт же при температурах нижче температури початку рекристалізації можна деформувати з великим ступенем деформації. Під час такої деформації в аустеніті сильно зростає сумарна щільність дислокацій, утворюються щільні сплетіння дислокацій і комірчаста структура. При мартенситному перетворенні у—>а дислокації не зникають, а "передаються" від похідної фази до нової, тобто мартенсит наслідує субструктуру деформованого аустеніту. Дуже висока щільність дислокацій в мартенситі, закріплених атомами вуглецю і карбідними включеннями, обумовлює одержання рекордних значень міцності після НТМО.

Подрібненням кристалів мартенситу пояснюється прийнятний рівень показників пластичності сталі, яка знаходиться у високоміцному стані.

НТМО практично може застосовуватись тільки для легованих сталей, які мають значну стійкість переохолодженого аустеніту. Для одержання рекордних значень границі міцності (до ЗЗООМПа) леговані сталі можна піддавати НТМО за схемою: аустенізація з нагрівом вище Лез—^переохолодження аустеніту до 600-400°С—^обробка піском (з є до 90%)—^-загартування на мартенсит—»відпускання при І00-200°С.

Впровадженню НТМО у виробництво дуже перешкоджає те, що необхідно використовувати потужне обладнання для обробки ПІСКОМ. Крім того, суттєвий недолік НТМО - невисокий опір крихкому руйнуванню сталі при сильному зміцненні. Однак, опір поширенню тріщини (найважливіша характеристика конструкційного матеріалу) при НТМО не змінюється.

ПТМО - проводять за схемою: холодна пластична деформація—»дорекристалізаційний нагрів—> загартування зі швидкостним нагрівом і короткою витримкою—» відпускання.

Перед деформуванням вихідною структурою являється структура ферито-карбідної суміші. Холодна пластична деформація підвищує щільність дислокацій. Під час дорекристалізаційного нагріву утворюється полігонізована структура фериту. Під час загартування із швидкостним нагрівом наслідується полігонізована субструктура при а—>у і у—»а перетвореннях, і кристали мартенситу стають фраг- мептованими. Отже, механізм зміцнення при ПТМО той же самий, щой при загартуванні після ВТМО.

ПТМО приваблює простотою технології. Перерва між холодною деформацією і нагрівом ніяк не регламентуються. ПТМО з застосуванням короткочасного нагріву під загартування в соляних ваннах або СВЧ може стати ефективним способом зміцнення виробів. ¹⁴

х

і_-М

невого гартування повинно відбуватися швидко і інтенсивно, щоб до аустенітного стану встиг прогріватися тільки поверхневий шар виробів. Глибина загартування визначається умовами роботи деталі. Так, коли вироби працюють на знос або в умовах втомленості, товщину загартованого шару частіше приймають 1,5-3,Омм; в умовах високих контактних навантажень і можливого шліфування - 4-5мм, а в разі особливо великих контактних навантажень (наприклад, для валків холодного 'прокатування) товщина загартованого шару досягає 10-15мм і вище. Звичайно вважають, що площа перерізу загартованого шару повинна бути не більше 20% всього перерізу деталі. Для зубчастих колес товщина шару складає 0,2-0,28 від їх модуля.

Різновиди поверхневого загартування відрізняються способами нагріву. В промисловості використовують два основних способа поверхневого нагріву: 1) струмами високої частоти (СВЧ); 2) полум'ям газового пальника.

Високочастотне загартування має незаперечні переваги і широко вживається. Як відомо, збільшення частоти перемінного струму приводить до його розподілення по перерізу провідника. При високих частотах струм практично йде лише в тонкому поверхневому шарі. Це так званий "скін-ефект", на використанні якого основано індукційний високочастотний нагрів для поверхневого загартування (запропонований в 1935 р. В.П.Вологдіним). Деталь поміщають в індуктор, через який пропускають струм високої частоти. Практично струм йде по поверхневому шару, глибина якого (3) залежить від частоти:

5 = 5030 _ЛЦ- 10⁶

и/

де р - питомий електроопір, Ом /м; р - магнітна проникливість, Г/м;

/- частота, Гц.

Кількість тепла, яке утворюється під час проходження струму через деталь, визначається за відомою формулою:

(} = 0,239 Ґ-Кт

де І -сила струму. А;

К. - електроопір, Ом; т - час, с.

Індуктори виготовляють з мідних трубок або шин, і за формою вони відповідають контуру деталі (рис. 208). Джерелом електроживлення служать машинні та лампові генератори. Машинні генератори мають діапазон робочих частот 500-8000 Гц і потужність 12-500 кВт. Лампові генератори можуть бути з частотою до 450000 Гц і потужністю 10-200 кВт. Для нагріву деталей, потребуючих малу глибину загартування (< 1,0мм), використовують саме лампові генератори, а для інших цілей служать машинні генератори.