Технология термической обработки
Закалка
1
Закалка стали
Углеродистые и легированные стали подвергают закалке для получения мартенситной структуры. Для этого необходимо нагреть изделие до аустенитного состояния, а затем после некоторой выдержки охладить со скоростью, превышающей верхнюю критическую скорость закалки VВK3,
чтобы подавить распад переохлажденного аустенита. В структуре закаленной стали, кроме основной структурной составляющей – мартенсита, всегда имеется некоторое количество остаточного аустенита, а также могут присутствовать карбидные частицы, не растворившиеся при аустенитизации или выделившиеся в процессе самоотпуска.
2
Влияние температуры превращения переохлажденного аустенита на прочность малоуглеродистых сталей.
1 – мартенсит; 2 – бейнит; 3 – феррит + перлит
Важнейшая особенность закалки на мартенсит состоит в упрочнении стали. Способность стали повышать твердость
в результате закалки называют
закаливаемостью.
При закалке Vохл уменьшается от
поверхностных слоев изделия к центральным. На некотором расстоянии от поверхности она может оказаться ниже VВКЗ и даже VHK3, что приводит к уменьшению количества мартенсита или к его полному исчезновению. Тогда закалка будет осуществлена лишь в поверхностных слоях изделия. Поэтому
другой характеристикой закаленной стали является прокаливаемость, под
которой понимают толщину закаленной
зоны.
3
Свойства сталей, закаленных на мартенсит
Следующие причины высокого сопротивления пластической деформации мартенсита углеродистых сталей:
- наличие углерода в твердом растворе; σ = 480 + 1330 √%C - большое число различного рода границ и субграниц;т - высокая плотность дислокаций;
- образование на дислокациях и элементах субструктуры мартенсита атмосфер атомов углерода; - выделение дисперсных карбидов в результате самоотпуска мартенсита.
Твердость закаленной стали (1) и мартенсита |
Зависимость предела текучести |
|
(2) в зависимости от содержания углерода. |
закаленной стали с 0,2%С от |
4 |
|
среднего размера пакета |
|
Свойства сталей, закаленных на мартенсит
Твердость мартенсита Fe – Ni – С сплавов при -196 °С в зависимости от температуры трехчасовой выдержки при указанных температурах. 1 – 0.02 % С, 30,5 % Ni; 2 – 0,23 % С, 26,8 % Ni; 3 – 0.48 % С, 23,3 % Ni; 4 – 0.59 % С, 19,2 % Ni; 5 – 0,82% С, 16,7 Ni
Закрепление дислокаций и элементов субструктуры в результате образования на них атмосфер атомов углерода.
Сплав Fe – Ni – С.
Интенсивное взаимодействие атомов углерода с дислокациями мартенсита при температурах выше -60° С приводило к дополнительному росту твердости закаленных никелевых сталей с содержанием углерода 0.23...0.82 %
Охлаждение в мартенситном интервале при закалке может сопровождаться самоотпуском мартенсита. Образующиеся при этом дисперсные карбиды также упрочняют
мартенсит.
5
Свойства сталей, закаленных на мартенсит
Прочность закаленных сталей зависит не только от прочности мартенсита, но и от остаточного аустенита. Повышенное количество этой мягкой структурной составляющей отрицательно сказывается на упрочнении при закалке. Для нелегированных сталей такой эффект становится заметным при содержании углерода более 0,7%.
При закалке углеродистых сталей наряду с повышением сопротивления пластической деформации происходит снижение пластичности и сопротивления хрупкому разрушению. Основная причина резкого охрупчивания – малая подвижность дислокаций мартенсита.
6
Характерный вид разрушения закаленной стали при динамическом нагружении при 20 °С
Закаленные малоуглеродистые стали – разрушение смешанное транскристаллитное (квазискол).
С увеличением содержания углерода склонность к интеркристаллитному разрушению возрастает.
Если закаленная сталь имеет структуру пакетного мартенсита, то размер фасеток квазискола в изломе, как правило, соответствует размеру пакетов.
7
Замедленное разрушение при котором развитие трещины может протекать достаточно длительное время. Оно происходит при комнатной температуре под воздействием статических напряжений (внешние силы и остаточные внутренние напряжения), значительно меньших величины кратковременной прочности. Его результатом может явиться растрескивание закаленных изделий в процессе их вылеживания перед отпуском.
Замедленное разрушение закаленной стали 38ХС
Характерный вид изломов закаленной стали 38ХС при замедленном разрушении. а – место начала трещины; б – зона долома
8
ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛЕЙ
Под прокаливаемостью понимают толщину закаленной зоны.
Величина прокаливаемости определяется скоростью охлаждения и верхней критической скоростью закалки, зависящей от устойчивости переохлажденного аустенита.
9
При сквозной прокаливаемости свойства стали непосредственно после закалки достаточно однородны по сечению изделия. Эта
закономерность сохраняется и после окончательного отпуска.
При неполной прокаливаемости в закаленном состоянии твердость снижается от поверхностных закаленных слоев к
центру изделия. Наиболее низкую твердость центральные слои имеют тогда, когда при охлаждении в них образуются только продукты диффузионного превращения переохлажденного аустенита. Высокий отпуск может значительно уменьшить различия в твердости и пределе прочности по сечению изделия с неполной прокаливаемостью.
Однако предел текучести, пластичность и ударная вязкость в центральных слоях будут ниже, чем в поверхностном закаленном слое.
При закалке изделий ответственного назначения, которые должны обладать высокими и однородными механическими свойствами по всему сечению, стремятся иметь полную прокаливаемость.
10