Что такое закаливаемость и прокаливаемость

Закаливаемость стали. Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки. Такая способность зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Объясняется это тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов, насильственно удерживаемых при закалке в атомной решетке железа. Иными словами, увеличивается степень пересыщения твердого раствора углерода в железе. В результате возрастают внутренние напряжения, что, в свою очередь, способствует увеличению числа дислокаций и возникновению блочной структуры.

Если в углеродистой стали содержание углерода будет меньше 0,3% (сталь 20, Ст3), то такая сталь уже не закалится. Для того чтобы понять это, следует вспомнить, что образование мартенситной структуры связано с перестройкой атомной решетки железа из гранецентрированной в объемно-центрированную. Температура, при которой происходит такая перестройка, зависит от содержания углерода. Роль углерода сводится к тому, что атомы его, находясь в решетке железа, как бы препятствуют перегруппировке атомов, которая необходима для перестройки решетки. Чем больше содержание углерода, тем ниже будет температура, при которой произойдет перестройка, т. е. образуется мартенситная структура. Зависимость температуры мартенситного превращения от содержания углерода в стали была показана на рис. 16. Как можно видеть, при содержании углерода 0,2% мартенситное превращение должно происходить при сравнительно высокой температуре — примерно 350—400°С. При такой температуре углерод еще сохраняет достаточно высокую подвижность и при перестройке решетки выходит из состояния твердого раствора, образуя химическое соединение — цементит. Пересыщение твердого раствора получается совсем незначительным, и потому структура закалки — мартенсит — не образуется.

Прокаливаемость стали. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны, т. е. свойство стали закаливаться на определенную глубину от поверхности. Если, например, сверло диаметром 50 мм, изготовленное из инструментальной углеродистой стали, закалить в воде, а затем замерить твердость его в поперечном сечении, то окажется, что во внутренней зоне, расположенной вдоль оси сверла (сердцевине), твердость будет почти такой же, как до закалки, в то время как в наружной зоне, расположенной у поверхности, твердость резко повысится. Проверив затем микроструктуру, можно будет убедиться, что в сердцевине она будет перлитного типа, а у поверхности — мартенситного. Несквозная закалка объясняется неравномерным охлаждением детали при закалке: поверхность всегда охлаждается быстрее, чем сердцевина. Неравномерность охлаждения вызывается различными условиями теплоотвода у поверхности и в сердцевине. При погружении раскаленной детали в закалочную среду поверхность, соприкасаясь с холодной жидкостью, охлаждается с большой скоростью, в то время как отвод теплоты от сердцевины затруднен толщей горячего металла, и потому она охлаждается медленно. В результате скорость охлаждения поверхности оказывается выше критической, и поверхность закаливается, а скорость охлаждения сердцевины получается ниже критической, и последняя не закаливается. Очевидно, можно представить себе, что на некоторой глубине от поверхности Н (рис. 19) скорость охлаждения будет равна критической. Тогда ясно, что слои металла, расположенные на большей глубине, не закалятся, а слои, расположенные на меньшей глубине, т. е. ближе к поверхности, закалятся.

Рис. 19. Скорость охлаждения при закалке на поверхности (v 1 ), в промежуточном слое (v 2 ) и в центре (v 3 ): v 1 >v 2 >v 3

Глубина проникновения закаленной зоны, т. е. прокаливаемость, зависит главным образом от химического состава стали. С повышением содержания углерода до 0,8% прокаливаемость стали повышается. Дальнейшее повышение его содержания несколько снижает прокаливаемость.

За исключением кобальта все легирующие элементы, растворенные в аустените, затрудняют его распад и, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки. В результате увеличивается прокаливаемость.

Для улучшения прокаливаемости в сталь вводят марганец, хром, никель, молибден и др. элементы. Особенно эффективно действует комплексное легирование, при котором полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается. Например, для стали с 0,4% С и 3,5% Ni критическая скорость закалки равна 150°С/с, а добавка 0,75% Мо снижает эту скорость до 4°С/с.

Те легирующие элементы, которые с углеродом могут давать химические соединения в виде карбидов (вольфрам, ванадий, титан и др.), повышают прокаливаемость только в том случае, если они при температуре закалки оказываются растворенными в аустените. Если же они будут оставаться в составе карбидов, то прокаливаемость снижается. В связи с этим с целью наиболее полного растворения карбидов и повышения благодаря этому прокаливаемости иногда значительно увеличивают температуру нагрева при закалке.

Читайте также:  Лебедка ручная барабанная чертеж

Из всего сказанного о влиянии легирующих элементов на прокаливаемость стали следуют два очень важных вывода:

1) при использовании легированных сталей можно получить сквозную прокаливаемость в деталях большого сечения, которые невозможно закалить насквозь при изготовлении их из углеродистой стали;

2) применение легированной стали вместо углеродистой позволяет снизить скорость охлаждения, необходимую для закалки, и использовать в качестве охладителя взамен воды — масло. В результате снижаются закалочные напряжения, уменьшается коробление и опасность образования трещин.

Наряду с химическим составом на прокаливаемость оказывают влияние и некоторые другие факторы: однородность аустенита, отсутствие в нем карбидов и иных примесей и включений, величина зерна и др. Чем однороднее аустенит и больше размер его зерен, тем выше будет прокаливаемость.

Закалкой называется нагрев стали выше критических точек, изотермическую выдержку и охлаждение с высокой скоростью в специальной среде – охладителе ( вода, водные растворы солей или щелочей, индустриальное масло ). Цель закалки – получение максимальной прочности и твердости. Различают полную и неполную закалку. Температура нагрева доэвтектоидной стали под закалку соответствует температуре полного отжига, а заэвтектоидной стали – температуре неполного отжига. В последнем случае сознательно оставляют в структуре нагретой стали цементит, как твердую фазу, конкурирующую по твердости с мартенситом (основной структурой закалки).

Закаливаемость — способность стали получать высокую твердость при закалке, что обеспечивается получением структуры мартенсита. Закаливаемость измеряется в единицах твердости и зависит, главным образом, от содержания углерода (рис. 1). Твердость мартенсита зависит от содержания в нем углерода. Твердость закаленной стали увеличивается пропорционально содержанию в ней углерода, но, начиная с 0,7 % С, твердость закаленной стали остается постоянной (HRC 63 — 65). Это объясняется тем, что закалка всех заэвтектоидных сталей производится с одной температуры (780°С), а поэтому у всех заэвтектоидных сталей состав аустенита при температуре закалки и состав мартенсита после закалки будет одинаков. У заэвтектоидных сталей с увеличением содержания углерода увеличивается количество вторичного цементита после закалки, что должно бы способствовать повышению твердости, но одновременно с этим увеличивается количество остаточного аустенита после закалки, а это ведет к снижению твердости. Поэтому твердость всех закаленных заэвтектоидных сталей практически остается постоянной.

Рис. 1. Влияние содержания углерода на закаливаемость стали:

а— твердость закаленной стали; б— твердость мартенсита

Прокаливаемость — способность стали воспринимать закалку на большую или меньшую глубину, которая определяется твердостью полумартенситной зоны (рис. 2). Прокаливаемость измеряется в единицах длины (мм) и зависит от критической скорости закалки. Чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость стали. Все факторы, которые увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки, способствуют увеличению прокаливаемости. Наличие легирующих элементов и примесей, растворяющихся при нагреве в аустените, увеличение содержания углерода до 0,8 %, а также рост размера зерна аустенита повышают прокаливаемость стали. Легирующие элементы при температуре закалки в виде карбидов, интерметаллидов и других фаз, создающих неоднородность аустенита, уменьшают прокаливаемость стали.

Рис. 2. Твердость углеродистой стали, имеющей в структуре после закалки 50% мартенсита и 50% троостита

Из диаграмм изотермического распада аустенита углеродистой и легированной стали (рис. 3) видно, что при одинаковых скоростях охлаждения, сквозную закалку приобретает легированная сталь. Свойства ее по сечению после закалки одинаковые.

Рис. 3. Влияние прокаливаемости на механические свойства углеродистой (а) и легированной (б) стали (схема):

1 — распределение твердости по сечению образца после закалки;
2 — распределение механических свойств у тех же образцов стали после улучшения (закалки и высокого отпуска)

Несквозная прокаливаемость является следствием того, что сердцевина детали охлаждается со скоростью, меньше критической. Поэтому в сердцевине аустенит распадается на феррито-цементитную смесь. В сечениях же, где скорость охлаждения выше критической, аустенит превратится в мартенсит. Свойства по сечению такой закаленной стали неодинаковые.

Прокаливаемость является весьма важным фактором, определяющим свойства и область применения стали. Высокая прокаливаемость позволяет получить высокие механические свойства стали в массивных сечениях детали после термической обработки. Это особенно важно для ответственных деталей и конструкций, которые подвергаются термическому улучшению, т.е. закалке и высокому отпуску.

Читайте также:  Линия по производству пеллетов

Количественной характеристикой прокаливаемости является критический (реальный) диаметр. Реальным или действительным критическим диаметром называют тот наибольший диаметр образца, при котором конструкционная сталь в данном охладителе прокаливается полностью, т.е. в центре образца твердость соответствует твердости полумартенситной зоны (зоны, состоящей из 50% мартенсита и 50% троостита). Критический диаметр, кроме критической скорости закалки стали, зависит от закаливающей среды.

Чтобы прокаливаемость не ставить в зависимость от способа (среды) охлаждения, вводится теоретическое понятие об идеальном критическом диаметре. Идеальный критический диаметр — это такой диаметр образца, у которого в центре при закалке в идеально охлаждающей жидкости получается полумартенситная структура. Идеально охлаждающая жидкость — это жидкость, отнимающая тепло с поверхности с бесконечно большой скоростью. Идеальный критический диаметр находится методом торцевой закалки.

Закаливаемость и прокаливаемость — важнейшие характеристики сталей. Закаливаемость определяется твердостью поверхности закаленной детали и зависит главным образом от содержания углерода в стали. При закалке различных деталей поверхность их, как правило, охлаждается со скоростью, большей икр, следовательно, на поверхности образуется мартенсит, обладающий высокой твердостью.

При закалке любых деталей даже в самых сильных охладителях невозможно добиться одинаковой скорости охлаждения поверхности и сердцевины детали. Следовательно, если скорость охлаждения сердцевины при закалке будет меньше vKp, то деталь не прокалится насквозь, т.е. там не образуется мартенсит.

Прокаливаемостью называют способность стали закаливаться на определенную глубину. С помощью термокинетических диаграмм можно не только анализировать эту способность стали, но и определять ее, если известны кривые охлаждения закаливаемой детали в различных точках. Этот прием показан на рис. 6.18, где на термокинетическую диаграмму стали 45 нанесены кривые охлаждения в воде детали типа вала в точках, расположенных на поверхности (1) на расстоянии 0,5Л от поверхности (2) и в центре (5) вала. Эти кривые получают экспериментальным или расчетным путем. В данном случае кривые расположились так, что при указанных условиях охлаждения на поверхности и на расстоянии 0,5Л от нее будет образовываться только мартенситная структура, а в центре вала — смесь перлита с бейнитом.

Иногда на термокинетических диаграммах указывают значенкя твердости стали после охлаждения с той или иной скоростью. И лом случае

можно построить график изменения твердости по сечению цилиндрического образца данной стали. Такие графики, но полученные экспериментальным путем, приведены в справочниках и характеризуют прокаливаемость сталей.

Рис. 6.30. Изменение твердости по длине J образца после торцовой закалки:

/- твердость полумартенси гной зоны; 1 – сталь с низкой прока-ливаемостью; 2 – сталь с высокой прокаливаемостью

Условились при оценке прокаливае-мости закаленными считать слои, в которых содержится не менее 50 % мартенсита (полумартенситная зона). Установлено, что легирование стали любыми элементами, кроме кобальта, увеличивает прокаливаемость, так как при этом повышается устойчивость переохлажденного аустенита. Для экспериментального определения прокаливаемости менее трудоемким оказался способ торцо-

вой закалки (ГОСТ 5657-69). Цилиндрический образец, диаметром 0,025 м и длиной 0,1 м, нагретый до температуры закалки, охлаждают струей воды только с торца на специальной установке. После охлаждения измеряют твердость по образующей цилиндра и строят график изменения твердости по длине образца (рис. 6.30). Оригинальным в этом способе является то, что каждая точка поверхности стандартного образца охлаждается с различной и вполне определенной скоростью. Сопоставление двух кривых на рис. 6.30 наглядно показывает, что сталь, характеризуемая кривой 2, имеет более высокую прокали-иаемость, чем сталь, у которой твердость изменяется в соответствии с кривой 1. Прокаливаемость стали одной и той же марки в зависимости щ изменений химического состава, размера зерна аустенита (температуры нагрева), размера и формы детали и т.д. колеблется в значительных пределах. В связи с этим в справочниках прокаливаемость стали каждой марки характеризуется не кривой, а полосой прокаливаемости.

Отпуск закаленных сталей

Нагрев закаленных сталей до температур, не превышающих А, на и,1 паю г отпуском.

К результате закалки чаще всего получают структуру мартенсита
с некоторым количеством остаточного аустенита, иногда структуру

Читайте также:  Сталь 5хнм гост 5950 2000

сорбита, троостита или Пей и и та.

Рис. в.32. Изменение содержания углерода • мартенсите при отпуске до 100*С

Изменение структуры мартенситно-аустенитной стали при отпуске

При отпуске происходит несколько процессов. Основной — распад мартенсита, состоящий в выделении углерода в виде карбидов. Кроме того, распадается остаточный аустенит, совершаются карбидное превращение и коагуляция карбидов, уменьшаются несовершенства кристаллического строения Q-твердого раствора и остаточные напряжения.

Фазовые превращения при отпуске принято разделять на три превращения в зависимости от изменения удельного объема стали. Распад мартенсита и карбидное превращение вызывают уменьшение объема, а распад аустенита — его увеличение.

На рис. 6.31 схематично показано изменение длины закаленного образца углеродистой стали при отпуске, в которой было значительное количество остаточного аустенита. В сталях, не содержащих легирующих элементов, первое превращение происходит в интервале температур 80 – 200 °С, второе при 200 – 260 °С, третье при 260 – 380 °С (см. рис. 6.31,

/ – ш).

I. Из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильно-го е-карбида, имеющего гексагональную решетку и химический состав, близкий к Fe2C. Дисперсные кристаллы е-карбида когерентны с решеткой мартенсита. Обеднение твердого раствора углеродом происходит неравномерно: наряду с участками мартенсита, обедненного углеродом (вблизи карбидов), сохраняются участки с исходным содержанием углерода. Первое превращение идет с очень малой скоростью и без нагрева. Уменьшение количества растворенного углерода снижает тетрагональность мартенсита — длина образца уменьшается.

Рис. 6.31. Изменение длины цилиндрического образца стали с содержанием углерода Польши О,в % при отпуске (схема)

Содержание углерода в мартенсите в интервале температур первого превращения зависит от исходного количества углерода (рис. 6.32), тогда как при более высоком нагреве оно определяется лишь температурой.

II. Одновременно происходит несколько процессов: продолжается распад мартенсита, распадается остаточный аустенит и начинается карбидное превращение. Распад мартенсита распространяется на весь объем, концентрационная неоднородность твердого раствора исчезает; в мартенсите остается около 0,2 % растворенного углерода. Распад остаточного аустенита происходит по механизму бейнитной реакции: образуется смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. При температурах около 250 °С начинается превращение е-карбида в цементит; при этом когерентность решеток твердого раствора и карбида нарушается.

Если в закаленной стали было много остаточного аустенита, то уменьшение плотности при распаде будет большим, чем ее увеличение, вследствие выделения углерода из мартенсита. В этом случае (см. рис. 6.31) длина закаленного образца возрастает.

III. Завершаются распад мартенсита и карбидное превращение. Из мартенсита выделяется весь пересыщающий углерод в виде карбидов, тетрагональность решетки а-твердого раствора устраняется — мартенсит переходит в феррит. После отпуска при 380 —400 °С в структуре стали обнаруживается только карбид цементитного типа. Оба указанные процесса вызывают увеличение плотности стали — длина образца уменьшается

Ферритно-карбидная смесь, образовавшаяся в конце третьего превращения, весьма дисперсна и имеет примерно такую же твердость, как тро-остит (ее называют трооститом отпуска). Структуру стали, образовавшуюся при температурах первого и второго превращений, называют отпущенным мартенситом.

При более высоких нагревах в углеродистых сталях происходят изменения структуры, не связанные с фазовыми превращениями: изменяются форма, размер карбидов и структура феррита.

В интервале температур третьего превращения цементит имеет форму тонких пластин. С повышением температуры происходит коагуляция: кристаллы цементита укрупняются (более мелкие кристаллы распадаются, а более крупные растут); при этом форма кристаллов постепенно приближается к сфероидальной. Коагуляция и сфероидизация карбидов происходят с заметной скоростью начиная с температур 350-400°С. Скорость этих процессов увеличивается при повышении температуры.

Изменения структуры феррита обнаруживаются начиная с температуры около 400°С: уменьшается плотность дислокаций, которая очень нолика н мартенсите до отпуска; постепенно устраняются границы между пластинчатыми кристаллами феррита, в результате чего зерна феррита

укрупняются и их форма приближается к равноосной. Таким образом, с повышением температуры отпуска постепенно снимается фазовый наклеп, возникший при мартенситном превращении.

Ферритно-карбидную смесь, которая образуется после отпуска при 450 — 650°С, называют сорбитом отпуска. После отпуска при температуре, близкой к температуре А, образуется грубая ферритно-карбидная смесь — зернистый перлит.

Дата добавления: 2018-04-05 ; просмотров: 152 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector