3. Прокаливаемость стали

Под прокаливаемостью понимают способность стали получить закаленный слой с мартенситной или трооститно - мартенситной структурой и на определенную глубину.

За характеристику прокаливаемости принято считать критический диаметр D_k, т. е. наибольший диаметр цилиндра из данной стали, который получат в результате закалки полумартенситную структуру в центре образца.

Полумартенситная структура содержит 50 % мартенсита и 50 % троостита. В этом случае D_k обозначается D₅₀. Однако часто важно знать значение диаметра, где содержание мартенсита значительно выше: 95 % и 99,9 %. В этих случаях D_k обозначают D₉₅ и D₉₉. Вопрос о прокаливаемости возникает потому, что скорость охлаждения по сечению закаливаемой детали различная: она максимальная на поверхности, уменьшается в более глубоких от поверхности слоях и минимальная в центральной части детали (рис. 3).

Рис. 3 Схема изменения скорости

охлаждения по сечению цилиндра при закалке.

Естественно, что твердость по сечению детали, не имеющей сквозную прокаливаемость, будет неодинаковая. После отпуска, когда можно выровнять твердость по сечению, ряд других свойств (особенно а_н и σ_т) в непрокалившихся участках сечения оказываются заведомо сниженными. На рис. 4 показаны схемы кривых изменения свойств по сечению у непрокалившего образца (а) и образца со сквозной прокаливаемостью (б) после отпуска.

Для машиностроительных деталей ответственного назначения, которые работают в жестких условиях нагружения (на разрыв и, особенно на удар), также для деталей типа пружин, рессор и подавляющего большинства инструментов требуется, чтобы после закалки структура по всему сечению состояла из 100 % мартенсита, что обеспечит однородную структуру после отпуска.

Для деталей машин, работающих в условиях менее жесткого нагружения (в основном на изгиб и кручение) в последнее время за критерий прокаливаемости принимается 100 % мартенсита на глубине 0,5 радиуса детали;

Таким образом для конструктора, выбирающего материал для детали, знание прокаливаемости (критического диаметра D_к) стали весьма важно.

Рис. 4 Схема изменения механических свойств по сечению

после закалки и отпуска на одинаковую твердость:

а – образец с неполной прокаливаемостью;

б – полностью прокалившийся образец (прокалившаяся зона заштрихована)

Рассмотрим определение прокаливаемости методом торцевой закалки. При этом методе стандартный образец (1 = 100 мм и 0 = 25 мм) из исследуемой стали подвергается охлаждению струей воды только с торца. Естественно, что скорость охлаждения по удалению от торца будет уменьшаться (соответственно уменьшается и твердость).

3.1. Упрощенный вариант расчета прокаливаемости

На рис. 5 представлены полосы прокаливаемости, которые определяют расстояние от торца образца до полумартенситной зоны и мартенситной зоны.

а)

б)

в)

Рис. 5. Полосы прокаливаемости: а- стали 50ХГР; б- стали 55ХГР; в- стали 60ХГРА.

Для этого на рис. 6 приведена кривая, показывающая твердость полумартенситной структуры HRC_50м в зависимости от содержания углерода в стали

Сталь 50ХГ. Из рис. 6 определяем для стали 50ХГ HRC_50m = 44, HRC_99,9М=61 Отложив для полумартенсита по оси ординат на рис. 5, а значения твердости HRC_50m = 44, а для мартенсита по оси ординат на рис. 1 значения твердости HRC_99,9m=61 по рис.1 проводим горизонтали до пересечения с кривыми HRC = f(h). Спроектировав полученные точки пересечения на ось расстояний, получим, что расстояние до полумартеиситной зоны = 17 мм, а расстояние до мартенсита =6 (рис. 1, 5).

Рис.6 Зависимость твердости полумартенситной

структуры HRC (50%М+50%Т) от содержания углерода в стали.

Для определения D₅₀ используем диаграмму на рис. 7. Отложим по оси абсцисс найденные расстояния и из полученных точек восстановим перпендикуляры до кривой «вода» и «масло».. Из полученных точек пересечения проведем горизонтали до пересечения с осью ординат и найдем, что при закалке в воде D_k = 65 мм, при закалке в масле D_k = 40 мм. (см. рис.7). В ответственных деталях, работающих на разрыв и ударный изгиб, необходимо, чтобы по всему сечению при закалке образовалась мартенситная структура. В этом случае структуры, образующиеся при распаде мартенсита в процессе отпуска, имеют высокий комплекс механических свойств. Чтобы определить критические диаметры, для стали с содержанием 95 % M(D₉₅) и 99,9 % M(D₉₉,₉) можно воспользоваться графиком на рис. 8.

Рис. 7. Диаграмма для определения критического диаметра D₅₀ стали ускоренным методом.

Рис. 8 График для определения D₉₅ и D_99,9 по значению D_50.

Из рис. 8 видно, что по значению D₅₀, т. е. критического диаметра с 50 % мартенсита и 50 % троостита, можно определить D₉₅ и D_99,9.

Критический диаметр в воде D₉₅=48, D_99,9=30, в масле D₉₅=30, D_99,9=20.

Сталь 55ХГР. Из рис. 6 определяем для стали 50ХГР HRC_50m= 46, HRC_99,9М=59. Отложив по оси ординат на рис. 5 значения твердости HRC_50m = 46, а для мартенсита по оси ординат на рис. 1 значения твердости HRC_99,9m= 59, проводим горизонтали до пересечения с кривыми HRC = f(h). Спроектировав полученные точки пересечения на ось расстояний, получим, что расстояние дополумартеиситной зоны = 46 мм, а расстояние до мартенситной зоны =20. (см. рис. 5).

Для определения D₅₀ используем диаграмму на рис. 7 в воде D_k = 122 мм, в масле D_k = 82 (см. рис.7). Чтобы определить критические диаметры, для стали с содержанием 95 % M(D₉₅) и 99,9 % M(D₉₉,₉) можно воспользоваться графиком на рис. 8. Из графика мы узнаем D₉₅=80, D_99,9=51 для воды, и для масла D₉₅=64, D_99,9=40.

Сталь 60ХГРА. Из рис. 6 определяем для стали 60ХГРА HRC_50m =49 , HRC_99,9М=61. Отложив по оси ординат на рис. 5 значения твердости HRC_50m = 49, а для мартенсита по оси ординат на рис. 1 значения твердости HRC_99,9m=61, проводим горизонтали до пересечения с кривыми HRC = f(h). Спроектировав полученные точки пересечения на ось расстояний, получим, что расстояние дополумартеиситной зоны = 49 мм, а для мартенсита =25. (см. рис. 5).

Для определения D₅₀ используем диаграмму на рис. 7 в воде D_k = 125 мм, в масле D_k =84 (см. рис.7). Чтобы определить критические диаметры, для стали с содержанием 95 % M(D₉₅) и 99,9 % M(D₉₉,₉) можно воспользоваться графиком на рис. 8. Из графика мы узнаем D₉₅=85, D_99,9=53 для воды, и для масла D₉₅=67, D_99,9=44.

В таблице 10 показаны критические диаметры для D50, D95, D99.5 в охладителях масле.

Таблица 10

Критический диаметр сталей марок 50ХГ, 55ХГР, 60ХГРА

Критический диаметр	Вид охладителя	Марка стали
		50ХГ	55ХГР	60ХГРА
D50	Вода	65	122	125
	Масло	40	82	84
D95	Вода	48	80	85
	Масло	30	64	67
D99,9	Вода	30	51	53
	Масло	20	40	44