Режим упрочняющей термической обработки вала из стали 40хфа

Рассмотрим закалку 40ХФА с последующим высоким отпуском.

Критические температуры для 40ХФА:

А_с3 = 800 С

А_с1 = 760 С

Закалка

При нагреве до температуры 760С структура сплава остается постоянной – перлит. Как только пройдена точка А_с1 на границах зерен перлита начинает зарождаться аустенит. В нашем случае мы имеем полную закалку, т.к. температура превышает А_с3 , то весь перлит переходит в аустенит. Таким образом, нагрев до 850С мы получили однофазную структуру = аустенит, при этом при повышении температуры после 800С зерно растет.

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую. Такое охлаждение наиболее просто осуществляется погружением закаливаемой детали в жидкую среду (соленая вода или масло), имеющую температуру 20-25С. В результате такой обработки получается теплостойкий мартенсит, с некоторым количеством остаточного аустенита.

Высокий отпуск.

.

40ХФА подвергается отпуску при t = 650С — высокий отпуск в течение 1-6 часов. При этом надо учитывать, что при температурах отпуска более 500С охлаждение производят в воде.

При высоких нагревах в углеродистых сталях происходят изменения структуры, не связанные с фазовыми превращениями: изменяются форма, размер карбидов и структура феррита. Происходит коагуляция: кристаллы цементита укрупняются и приближаются к сферической форме. Изменения структуры феррита обнаруживаются, начиная с температуры 400 С: уменьшается плотность дислокаций, устраняются границы между пластинчатыми кристаллами феррита (их форма приближается к равноосной).

Структурные превращения, происходящие в стали на всех стадиях термической обработки

Сталь 40ХФА – доэвтектойдная, среднеуглеродистая, низколегированная. Наилучшее сочетание прочности и пластичности, что обеспечивает хорошую работу материала при динамических нагрузках, сталь приобретает после динамической обработки, состоящей из закалки и последующего высокотемпературного отпуска. Такой вид термообработки называется улучшением и обеспечивает в данной стали структуру сорбита, являющуюся носителем оптимальных эксплуатационных свойств.

Температура и продолжительность закалки: доэвтектойдные стали нагревают под закалку до температуры на 30..50 °С выше температуры АС3. Для данной стали температура нагрева под закалку составляет 830..850 °С. Исходная структура стали феррита+перлит при нагреве стали до температуры закалки (выше А3) и выдержки при этой температуры превращается в аустенит. Продолжительность выдержки при температуре аустенизации должна обеспечить прогрев детали по сечению и завершение фазовых превращений, но не более. Иначе будет происходить нежелательный рост зерна, что в последующем приведет к охрупчиванию материала.

Образование в результате закалки мартенсита приведет к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. В связи с этим проводится окончательная операция термической обработки — высокотемпературный отпуск, при котором снимаются остаточные напряжения и обеспечиваются необходимые механические свойства материала.

После закалки на мартенсит и высокого отпуска свойства легированных сталей определяются концентрацией углерода в мартенсите. Чем она выше, тем больше твердость и прочность, ниже ударная вязкость. Легированные элементы влияют на механические свойства косвенно, увеличивая или уменьшая концентрацию углерода в мартенсите. Карбидообразующие элементы (Cr, Mo, W,V) увеличивают прочность связи атомов углерода с атомами твердого раствора, снижают термодинамическую активность (подвижность) атомов углерода, способствуют увеличению его концентрации в мартенсите, т.е. упрочнению. Таким образом, задача закалки — получение структуры мартенсита с максимальным процентным содержанием углерода.

Отпуск заключается в нагреве до температуры ниже АС1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Режим отпуска Т=650 °С в течение 1-6 часов в зависимости от габаритов изделия. Охлаждающая среда — масло. Структура стали после высокого отпуска — сорбит отпуска.

Сталь 40ХФА – перлитного класса. До термической обработки она имеет следующую структуру:

Феррит (Ф) + Перлит (П). П (Ф+Fe₃C).

Ф=Feα(C) – твердый раствор С в Feα.При обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры А_С1. При нагреве до А_С1 (760С) никаких превращений не происходит. При температуре > А_С1 в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процесса: полиморфный переход Fe  Fe и растворение цементита в аустените.

Общая схема превращения:

Ф+П (Ф+Ц)|А_С1 →Ф+Ц+АА+ЦА_{неоднородн.}А_{гомогенный} , где

Ф – феррит, П – перлит, Ц – цементит, А – аустенит, А_С1=760°С.

Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита перлита, поэтому необходимо некоторое время поддерживать температуру стали равной температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита. Фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна в стали. При этом, выше дисперсность структуры перлита (Ф+Ц) и скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно возрастает дисперсность продуктов его распада, что приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентрации напряжений.

Если скорость охлаждения будет больше критической, то будет образовываться мартенсит – неравновесная фаза – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe и остаточный аустенит. Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной 5000 м/с (скорость звука в стали). Росту пластин мартенсита препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита. (см. рис. 2 б и в).

Рис.2а

Рис.2б

Рис.2в

Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные. При этом перестройка решетки происходит по тем кристаллографическим плоскостям исходной модификации, которая по строению одинаковая, а по параметрам близки к определенным плоскостям кристаллической решетки образующей фазы, т.е. выполняется принцип структурного и размерного соответствия. Для мартенситного превращения характерно, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы. Два кристалла считаются когерентными, если они соприкасаются по такой поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток. При нарушении когерентности решеток интенсивный упорядоченный переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост кристалла мартенсита прекращается. Мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку. Чем больше углерода было в аустените, тем большее число элементарных ячеек мартенсита будет содержать атом углерода и тем большими окажутся средние искажения пространственной решетки.