Сл.2.Внутренние напряжения, возникающие при закалке
Одна из особенностей закалки заключается в том, что ее проведение, как правило, сопровождается возникновением высоких внутренних напряжений. Последние могут стать причиной коробления изделий и появления закалочных трещин. Напомним, что следует различать временные внутренние напряжения, возникающие непосредственно в процессе охлаждения, и остаточные, сохраняющиеся в изделии после окончания охлаждения.
К закалочным напряжениям относятся:
термические (тепловые) напряжения, причиной появления которых является неодновременность охлаждения поверхностных слоев и сердцевины изделия;
структурные (фазовые) напряжения, появляющиеся вследствие неодновременности протекания фазовых превращений по сечению изделий.
Так как при закалке скорость охлаждения поверхностных и центральных слоев изделия различна, то они претерпевают неодинаковое тепловое сжатие, что и обусловливает появление термических напряжений. В начальный период охлаждения быстрее изменяется температура поверхностных слоев. Но их сжатие не может протекать свободно, так как этому препятствует сердцевина изделия. Поверхностные слои окажутся растянутыми, т.е. в них возникнут растягивающие напряжения. Центральные слои в этом случае будут испытывать сжимающие напряжения.
По мере понижения температуры поверхностных слоев их скорость охлаждения уменьшается. В некоторый момент интенсивность охлаждения центральных слоев окажется выше, чем поверхностных. Это предопределит их более быстрое сжатие, чему препятствуют поверхностные слои. Характер распределения внутренних напряжений по сечению изделия изменится: поверхностные слои будут находиться под воздействием сжимающих напряжений, а центральные – растягивающих.
На рис. 13.25 приведены кривые охлаждения поверхности и центра цилиндрической заготовки диаметром 100 мм в воде. Различие в температуре между поверхностью и центром растет по мере увеличения времени вплоть до точки W, в которой оно достигает максимальной величины – около 600°С. В этот момент растягивающие напряжения в поверхностных слоях достигают максимального значения. Если бы растягивающие напряжения не претерпевали релаксации, то их ход во времени соответствовал бы кривой а. Однако ввиду высокой температуры они успевают частично релаксировать за счет пластической деформации. Остающиеся растягивающие напряжения изменяются в соответствии с кривой b.
Рис. 13.25. Схема возникновения термических напряжений при охлаждении заготовки диаметром 100 мм в воде без учета фазовых превращений.
Пов., Центр – поверхность и центр изделия соответственно
Быстрое сжатие сердцевины после момента W приводит к уменьшению растягивающих напряжений в поверхностных слоях, которые в момент U достигают нулевого значения. Дальнейшее сжатие сердцевины вызовет появление в поверхностных слоях сжимающих напряжений. Характер изменения термических напряжений в сердцевине изделия показывает кривая с. После окончания охлаждения распределение остаточных внутренних напряжений по сечению заготовки в принципе соответствует эпюре в правой части рис. 13.25.
Сл.3. Чем выше температура нагрева и чем интенсивнее охлаждение, тем выше уровень термических напряжений. Увеличение размеров сечения изделия и усложнение его формы сопровождаются тем же эффектом. На величину термических напряжений влияют свойства стали. С увеличением ее теплопроводности и уменьшением температурного коэффициента объемного расширения уровень термических напряжений снижается. Термические напряжения уменьшаются и при снижении предела текучести, так как облегчается их релаксация путем пластической деформации.
Сл.4. Рассмотрим возникновение структурных напряжений в условиях полной прокаливаемости. В процессе охлаждения при закалке поверхностные слои раньше достигают мартенситного интервала. Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема. Но этому будут препятствовать центральные слои. В поверхностных слоях возникают сжимающие напряжения, а в центральных – растягивающие.
Через некоторое время мартенситное превращение начнется в центральных слоях. Увеличению их объема будут препятствовать поверхностные слои. При этом знак напряжений изменится: в поверхностных слоях появятся растягивающие напряжения, а в центральных – сжимающие.
Когда мартенситное превращение получает развитие только в поверхностных слоях, частичная релаксация напряжений может происходить путем пластической деформации внутренних слоев с пластичной аустенитной структурой. При образовании мартенсита в сердцевине изделия релаксация напряжений резко затрудняется. В условиях малопластичной мартенситной структуры и наличия в поверхностных слоях наиболее опасных растягивающих напряжений возрастает вероятность образования закалочных трещин.
Сл.5. Величина структурных напряжений зависит от перепада температур по сечению изделия и всех факторов, которые этот перепад определяют. На уровень структурных напряжений влияет содержание в стали углерода и легирующих элементов. Увеличение количества углерода в мартенсите сопровождается более значительными изменениями удельного объема при его образовании и появлением более высоких напряжений. В то же время следует учитывать, что изменение содержания углерода, как и характера легирования, сказывается на положении мартенситного интервала и количестве остаточного аустенита в закаленной стали. Снижение температурного интервала мартенситного превращения при прочих равных условиях приводит к увеличению структурных напряжений. Чем больше остаточного аустенита, тем в меньшей мере изменяется объем при закалке, а следовательно, ниже уровень структурных напряжений.
При неполной прокаливаемости также возникают высокие структурные напряжения. Это обусловлено тем, что удельные объемы бейнита и феррито-карбидных структур больше, чем аустенита.
При закалке стали одновременно возникают термические и структурные напряжения. В зависимости от действия различных факторовони могут суммироваться или взаимно вычитаться. Поэтому после окончания охлаждения часто имеет место сложный характер распределения остаточных напряжений по сечению изделия. В поверхностных слоях могут действовать как сжимающие, так и растягивающие напряжения.