Как при закалке изменяются свойства низкоуглеродистых сталей
Elton-zoloto.ru

Драгоценные металлы

Как при закалке изменяются свойства низкоуглеродистых сталей

Структура стали после закалки и отпуска

Сталь после закалки: структура и свойства

Сталь в обычном виде – довольно мягкий и податливый к обработке металл. Особая прочность некоторым маркам (это так называемые стали обыкновенного качества, производимые согласно требованиям ГОСТ 380) и не требуется: тех показателей, что были получены после выплавки, вполне хватает, например, канализационным люкам или оградительным решёткам. Но есть категории сталей – конструкционные и инструментальные, которым изначальных прочностных показателей мало. Их надлежит подвергать термической обработке. Основным её видом считается закалка.

Закалка: сущность операции

Как известно, любая сталь представляет собой твёрдый раствор углерода в основной структуре α-железа. При этом марка определяет процентное содержание углерода (например, марка «сталь 65» означает, что в её составе содержится 0,65% С, сталь У13 содержит около 1,3% С, и так далее). Однако этот элемент – довольно химически активный, поэтому в процессе выплавки (при 1600…2000 °С) он активно связывается железом, образуя в результате цементит Fe3C. Всё остальное представляет собой феррит – достаточно мягкую структурную составляющую. Большое количество феррита в малоуглеродистых сталях обуславливает их повышенную пластичность, причём даже в холодном состоянии. Это не касается сталей:

  1. легированных (они производятся согласно требованиям ГОСТ 4543);
  2. подшипниковых по ГОСТ 801;
  3. рессорно-пружинных по ГОСТ 2052 и ГОСТ 14959;
  4. всех типов инструментальных, как легированных, так и нелегированных.

Чтобы понять эффективность закалки, необходимо обратиться к структуре стали после выплавки и последующей горячей прокатки на необходимый профиль – полосу, пруток или специальный профиль (уголок, швеллер и т.п.).

Любая сталь имеет кристаллическую структуру, которую составляет бесконечное множество кристаллов. Если лить сталь с последующим охлаждением расплава, то эти кристаллы превращаются в многогранные образования, называемые зёрнами. Поскольку при этом происходит активное насыщение кислородом, между смежными кристаллами возникают пустоты, которые в процессе охлаждения слитка постепенно заполняются серой, фосфором и прочими легкоплавкими неметаллическими включениями. Это не только снижает пластичность (фосфор и сера – весьма хрупкие химические элементы), но и способствует появлению весьма грубых скоплений зёрен, что делает металл неравномерным по своей плотности. Обрабатывать такие изделия невозможно – слиток начнёт раскалываться. Поэтому сразу после выплавки выполняется прокатка, в ходе которой исходные дефекты залечиваются, и структура становится более однородной. Соответственно, увеличивается плотность, а также исчезают поверхностные трещины.

Температура заготовки в зависимости от цвета при нагреве

Пластическая деформация положительно влияет только на макроструктуру. За изменение микроструктуры отвечает закалка – совокупность технологических методов термической обработки, суть которых состоит в увеличении прочностных показателей стали. Смысл закалки заключается в том, чтобы зафиксировать ряд высокотемпературных составляющих микроструктуры (придающих стали стойкость) для обычных условий эксплуатации изделий. Соответственно, сталь, не изменяя своего химического состава, резко повысит уровень своих некоторых механических характеристик:

  1. предела временного сопротивления σв, МПа;
  2. предела текучести σт, МПа;
  3. предела усталости σи, МПа;
  4. твёрдости по Бринеллю HB или Роквеллу НRC.

При этом некоторые показатели – в частности, ударная вязкость, относительное удлинение, – после закалки становятся ниже. Если это критично с точки зрения последующей эксплуатационной стойкости детали (а в большинстве случаев так и происходит), то правильно после её закалки выполнить ряд дополнительных операций: отпуск, старение и др.

Температурные изменения в структуре

Закалка проводится весьма часто для продукции, изготовленной из качественных конструкционных сталей, содержащих более 0,4% С, и практически всегда – для конструкционных легированных сталей, поскольку именно для них обычно и предъявляются повышенные прочностные требования.

Выбор режима закалки зависит от предназначения детали. Наиболее распространены следующие технологии:

  • Термообработка малоуглеродистых конструкционных сталей (менее 0,2% С), для которых необходимо сочетание поверхностной твёрдости с достаточно вязкой сердцевиной. В этом случае сначала выполняют цементацию — насыщение поверхности дополнительным количеством углерода, а уже потом сталь закаливают;
  • Термообработка среднеуглеродистых сталей с 0,3…0,6% С. Они применяются для производства ответственных машиностроительных изделий сложной формы, которые работают в условиях знакопеременных нагрузок. Нормализация всегда выполняется после закалки;
  • Химико-термическая обработка, которая выполняется относительно высоколегированных сталей, где глубинные слои могут оставаться вязкими. Основные варианты исполнения такой обработки – цианирование, нитридирование, сульфурирование – производятся также после закалки.

3 формы кристаллов железа в сверхвысокоуглеродистой стали

Все конструкционные стали относятся к виду доэвтектоидных: процентное содержание углерода в них не превышает 0,8%. В структуре стали после закалки в зависисмотси от условий нагрева имеются следующие составляющие:

  1. В диапазоне температур до 723 °С – феррит и перлит (перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита, куда подмешиваются и карбиды легирующих элементов).
  2. Выше этой температуры и до 850…900 °С– смесь феррита с аустенитом, причём область устойчивого существования структуры зависит от процента углерода, и постепенно снижается от диапазона 950…723 °С до 0.
  3. Ниже этой температурной линии структура является уже чисто аустенитной.

Для отображения динамики структурных изменений в конструкционных сталях при их нагреве широко применяется известная диаграмма «железо-углерод», по которой устанавливают режимы закалки и последующего отпуска. Часто тут же приводятся и фотографии структурных составляющих.

Режимы закалки

Поскольку при закалке растут не только прочностные характеристики, но и хрупкость, технология правильного ведения процесса состоит в том, чтобы, с одной стороны, зафиксировать так можно большее количество остающегося аустенита, а другой стороны, снизить негативные проявления таких изменений. Особенно это важно для деталей сложной формы, где уже имеются концентраторы напряжений.

Задача решается ускоренным охлаждением деталей, нагретых выше температуры аустенитного превращения на 30…50 °С, с последующим отпуском. В качестве охлаждающей среды используется вода или масло, а итогом такого охлаждения является появление в микроструктуре мартенсита – пересыщенного твёрдого раствора углерода в железе. Мартенсит — значительно более твердая структура, с иным типом кристаллической решётки и игольчатой структурой кристаллов. Он считается так называемой метастабильной фазой, которая в обычных условиях существовать не может.

Закалка подразделяется на следующие виды:

  1. Изотермическую, при которой выполняется непрерывное охлаждение в масле, либо в расплавах солей хлоридов бария и натрия. В результате аустенитное превращение протекает полностью, а в закалённом продукте исключаются трещинообразование и коробление. Изотермическая закалка и отпуск обязательны для конструкций сложной формы и значительных габаритных размеров.
  2. Ступенчатую, при которой после закалки в ванне до окончания мартенситного превращения и выравнивания температурных перепадов по всему сечению, продукцию извлекают из закалочной ёмкости, и в дальнейшем охлаждают уже на спокойном воздухе.
  3. Сквозную, применяемую для деталей небольших размеров. В результате получается наивысшая равномерность механических свойств.

Три вида отпуска после закалки

Особенности закалки инструментальных сталей заключаются в том, что они работают при гораздо повышенных эксплуатационных нагрузках: например, для тяжелонагруженного инструмента они достигают 3000…3500 МПа. Поэтому крайне важно обеспечить удовлетворительное сочетание всех прочностных параметров. Принципиальным отличием всех режимов закалки инструментальных сталей является обязательность отпуска непосредственно после закалки.

Наилучший результат дают следующие режимы закалки:

  1. Изотермическая.
  2. Закалка с самопроизвольным отпуском, при которой нагретую деталь кратковременно извлекают из охлаждающей среды (масла), очищают от образовавшейся плёнки окислов, после чего вновь опускают в масляную ванну.
  3. Чистая, при которой нагрев ведут в печах с контролируемой атмосферой, свободной от окислов.
  4. Светлая, когда продукция нагревается в щелочных расплавах.

Нагрев под закалку проводят преимущественно в электропечах или в газовых печах, атмосфера которых содержит инертный газ. Так обеспечивается качество и полнота мартенситного превращения, исключаются неравномерность свойств и поверхностные дефекты.

Основы термического упрочнения проката

Термическое упрочнение проката проводят посредством интенсивного охлаждения прокатных изделий, нагретых до температуры выше верхней критической точки, т. е. до температуры закалки.

Если изделия охлаждают с прокатного нагрева непосредственно после деформации металла в прокатном стане, то осуществляется процесс ВТМО. При этом упрочнение, возникающее в результате пластической деформации аустенита в прокатных валках, суммируется с упрочнением, обусловленным быстрым охлаждением стали. При ВТМО, как правило, одновременно повышаются прочность, пластичность, а также ударная вязкость стали.

Если же прокат охлаждают после отдельного (повторного) нагрева, то осуществляется обычная упрочняющая термическая обработка. Эффектов дополнительного упрочнения и увеличения пластичности, имеющихся при ВТМО, в этом случае не наблюдается.

Термином «термическое упрочнение проката» авторы стремились объединить все разновидности упрочняющей обработки проката: термической и термомеханической.

Одним из важнейших направлений технического прогресса в области металлургии является повышение прочности стали, создание различного рода высокопрочных и сверхпрочных сталей, характеризующихся высокой пластичностью и хорошей свариваемостью. Эти стали подвергают упрочняющей термической или термомеханической обработке.

Для ускорения процесса охлаждения и уменьшения площади холодильников, занимающих в современных прокатных цехах много места прокат охлаждают водой.

В этом случае регламентированное (регулируемое) охлаждение проката позволяет легко осуществить его термическое упрочнение.

В результате интенсивного охлаждения проката прочностные свойства стали повышаются в среднем в полтора—два раза. Предел текучести увеличивается более значительно, иногда в два—три раза, предел прочности (возрастает в среднем в полтора раза. Пластические свойства, в частности, относительное сужение и ударная вязкость в упрочненной стали, как правило, выше, чем в неупрочненной. Особенно ценно наблюдающееся при упрочнении повышение ударной вязкости при низких температурах, т. е. снижение хладноломкости стали. Относительное удлинение в результате упрочнения несколько уменьшается, но остается на сравнительно высоком уровне и полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к конструкционной стали. Склонность стали к старению снижается.

Низкое содержание углерода обусловливает высокую пластичность и обеспечивает хорошую свариваемость термически упрочненной стали. Это определяет широкое применение малоуглеродистой низколегированной стали в сварных конструкциях.

1. Теоретические основы

Среднеуглеродистую и высокоуглеродистую сталь термическому упрочнению подвергают давно. Теоретические основы упрочнения этих сталей разработаны достаточно полно.

Этого нельзя оказать о низкоуглеродистой стали. Между тем из этой стали изготавливают много прокатных изделий и труб для строительства и машиностроения. Эти изделия нуждаются в упрочнении.

До последнего времени не было единого мнения о том, можно ли упрочнить низкоуглеродистую сталь при помощи термической обработки. Считали, что низкоуглеродистая сталь при закалке не упрочняется. В то же время были опубликованы исследования, указывающие на то, что низкоуглеродистая сталь при закалке упрочняется в несколько раз.

Однако, до самого последнего времени упрочнение низкоуглеродистой стали с помощью закалки на заводах не использовали.

Рассмотрим процессы, происходящие в низкоуглеродистой стали при закалке, а также ее структуру и проанализируем свойства термически упрочненной низкоуглеродистой стали.

Закалка низкоуглеродистой стали на мартенсит

При достаточно быстром охлаждении в стали, нагретой выше верхней критической точки (Ас.3), в интервале температур Мн—Мкн — температура начала, а Мк —температура конца мартенситного превращения), возникает новая структурная составляющая: аустенит превращается в мартенсит. О твердости мартенсита можно судить по данным, приведенным на рис. 1.

Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе. Элементарная ячейка кристаллической решетки мартенсита имеет тетраго

нальную форму (рис. 2): размер с у нее больше размера а; отношение с/а характеризует степень тетрагональности. Размеры элементарной ячейки кристаллической решетки мартенсита определяются содержанием углерода в стали.

В 1929 г. Г. В. Курдюмов и Э. 3. Каминский, исследуя изменение параметров кристаллической решетки мартенсита для сталей с различным содержанием углерода (0,64—1,44% С), показали, что параметры с и а и величина отношения с/а изменяются пропорционально содержанию углерода (рис. 3). Экстраполяция на 0% С О дает величину с — а = 2,86А, равную параметру решетки чистого а-железа, не содержащего углерода.

Из этого следует, что принципиальной разницы в процессах, происходящих при закалке стали, например с 0,6% и 0,2% С, нет. Изменяется лишь количество углерода, растворенного в а-решетке: в первом случае оно равно 0,6, во втором 0,2%.

Процесс образования мартенсита в низкоуглеродистой стали можно представить следующим образом.

В результате быстрого охлаждения стали из аустенитной области при переходе точки Мк начинается процесс образования мартенсита. В результате этого проис

Автор: Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2011.09.04 Обновлено: 2020.03.04

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Закалка углеродистой стали

Изучить процесс закалки стали; исследовать влияние массовой доли углерода на закаливаемость стали.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Прибор для определения твердости, муфельные лабораторные печи, оснащенные приборами для контроля температур, закалочные баки с охлаждающими средами, шлифовальный станок, образцы стали в отожженном состоянии.

Мартенситное превращение в стали

Распад аустенита на феррито-карбидную смесь – диффузионный процесс, связанный с перераспределением углерода и железа, т.е. с диффузионным перемещением атомов на значительные расстояния, намного превышающие период решетки аустенита.

При охлаждении углеродистой стали с достаточно большой скоростью (сотни градусов в секунду) аустенит настолько сильно переохлаждается, что не распадается на смесь двух фаз, так как подвижность атомов при сильном охлаждении ниже точки А1 слишком мала. Но фиксации аустенита при комнатной температуре не происходит, так как в углеродистой стали, начиная с некоторой температуры, может существовать железоуглеродистая фаза, обладающая свободной энергией меньше, чем аустенит. Эта фаза называется мартенситом.

Мартенситное превращение не связано с диффузионным перераспределением углерода и железа в решетке аустенита. Химический состав кристаллов мартенсита и исходного аустенита одинаков. Мартенсит отличается от аустенита только кристаллической решеткой; у аустенита гранецентрированная решетка γ -железа, а у мартенсита – тетрагональная, близкая объемно центрированной кубической решетке α -железа.

Таким образом, мартенсит является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α -железе.

Превращение аустенита в мартенсит при охлаждении начинается и заканчивается при определенных для каждой марки стали температурах – температуре начала (МH) и конца (МК) мартенситного превращения.

Рис. 3.13. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали.

А – устойчивый аустенит, Ап – переохлажденный аустенит, Аост – остаточный аустенит, М – мартенсит, Ф – феррит, Ц – цементит.

Температура начала мартенситного превращения в отличие от температуры начала перлитного превращения, не зависит от скорости охлаждения. На положение мартенситной точки (МH) влияет содержание углерода в стали, с увеличением которого снижается МH. При температуре мартенситной точки МH превращение только начинается, появляются первые кристаллы мартенсита. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже мартенситной точки. Если охлаждение приостановить и выдерживать углеродистую сталь при постоянной температуре ниже мартенситной точки МH, то образование мартенсита почти сейчас же прекращается. Эта особенность наиболее ярко отличает кинетику мартенситного превращения от перлитного, которое всегда доходит до конца при постоянной температуре ниже точки А1 т.е., оканчивается полным исчезновением аустенита.

Мартенситный кристалл (пластина) образуется только в пределах аустенитного зерна и не переходит границу между его зернами. В плоскости шлифа мартенситные пластины, как правило, попадают поперечным сечением и наблюдаются под микроскопом в виде игл. Так как размеры первых пластин мартенсита определяются размерами аустенитного зерна, то все факторы, приводящие к его укрупнению, делают более грубоигольчатым сам мартенсит. Поэтому сильный перегрев стали при закалке дает крупноигольчатый мартенсит.

При закалке на мартенсит углеродистой стали резко возрастает ее твердость и снижается пластичность. Например, твердость эвтектоидной стали в отожженном состоянии равна HB180, а в закаленном – НВ650, т.е. примерно в 3,5 раза выше. Высокая твердость углеродистых сталей, закаленных на мартенсит, обусловлена, в первую очередь, возникновением сильных искажений решетки пересыщенного раствора за счет внедрения атомов углерода.

Структура и зависящие от нее механические свойства, металлических сплавов изменяются в результате термической обработки. Существуют различные виды термической обработки, к одному из которых относится закалка, приводящая к существенному изменению структуры и свойств сплавов. Применительно к углеродистым сталям закалка обеспечивает значительное повышение твердости и прочностных характеристик (пределов прочности и текучести).

Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической точки, выдержке и последующем быстром охлаждении со скоростью не ниже критической.

Критические точки – это температуры фазовых превращений. Различают равновесные (теоретические) и фактические критические точки. Равновесные критические точки лежат на линиях диаграмм состояния и показывают температуры фазовых переходов в условиях чрезвычайно медленного изменения температур (нагрева или охлаждения).

Равновесные критические точки углеродистых сталей можно определять по метастабильной диаграмме «железо – цементит». На этой диаграмме равновесные точки, лежащие на линии PSK, обозначаются А1 и показывают температуру превращения перлита в аустенит при нагреве и обратного превращения при охлаждении. Равновесные точки, находящиеся на линии GS, обозначаются А3 и показывают температуры окончания растворения феррита в аустените при нагреве и начала его выделения из аустенита при охлаждении. Равновесные точки линии SE обозначаются Acm и показывают температуры окончания растворения цементита (вторичного) в аустените при нагреве и начала его выделения из аустенита при охлаждении.

Фактические критические точки при нагреве смешаются вверх по температурной шкале и обозначаются аналогично равновесным точкам с добавлением буквы «с», например, АС1С3.

При охлаждении происходит смещение фактических критических точек относительно равновесных в сторону уменьшения температуры, это смещение отмечается буквой «r» (Ar1 – Ar3).

Нагрев при закалке производится для перевода всей исходной структуры или определенной ее части в аустенит, который является исходной фазой для получения конечной структуры закаленной стали.

Выдержка необходима для выравнивания температуры по сечению детали и для полного установления необходимого фазового состояния.

Охлаждение при закалке должно производиться со скоростью не меньше критической для того, чтобы предотвратить протекание диффузионных процессов и переохладить весь исходный аустенит до температурного интервала мартенситного превращения.

Критическая скорость охлаждения (закалки) – это минимальная скорость охлаждения, при которой предотвращается диффузионный распад переохлажденного аустенита.

Выбор технологических параметров закалки

Фактическая скорость печного нагрева определяется температурой, до которой нагрето печное пространство, и массой помещенной в него детали.

Температура закалки определяется исходя из массовой доли углерода в стали и соответствующего ей значения критической точки. Практически критические точки выбирают по справочникам или по диаграмме состояния “железо – цементит”.

Температура нагрева при закалке доэвтектоидных сталей определяется следующим образом:

Заэвтектоидные и эвтектоидную стали нагреваются при закалке до температуры:

Исходя из этого определяется положение оптимального интервала температур закалки углеродистых сталей на диаграмме состояния Fe – Fe3C (рис. 3.14).

Продолжительность нагрева и выдержки определяется размерами и конфигурацией деталей и способом их укладки в печи. Она должна быть такой, чтобы прошло выравнивание концентрации углерода в аустените. Обычно общее время нагрева и изотермической выдержки составляет 1 – 1,5 мин на мм наибольшего поперечного сечения.

Охлаждение при закалке должно производиться в такой охлаждающей среде, которая обеспечивает скорость охлаждения не менее критической.

Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температуры по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных и внутренних слоев в период охлаждения обуславливает возникновение термических напряжений.

Рис. 3.14. Фрагмент диаграммы состояния Fe – Fe3C c нанесенным оптимальным интервалом температур закалки

Мартенситное превращение связано с увеличением объема на несколько процентов. Поверхностные слои раньше достигают мартенситной точки, чем сердцевина изделия. Мартенситное превращение и связанное с ним увеличение объема около 1%, происходит в разных точках сечения изделия не одновременно, что приводит к возникновению структурных напряжений.

Суммарные закалочные напряжения растут с увеличением температуры нагрева под закалку и с повышением скорости охлаждения, так как в обоих этих случаях увеличивается перепад температур по сечению изделия. Наиболее опасным в отношении закалочных напряжений является интервал температур ниже мартенситной точки (МH), так как в этом интервале возникают структурные напряжения и образуется хрупкая фаза мартенсит. Выше мартенситной точки возникают только термические напряжения, причем сталь находится в аустенитном состоянии, а аустенит пластичен. Охлаждающая способность наиболее распространенных закалочных сред увеличивается в следующей последовательности: минеральное масло,вода, водные растворы солей и щелочей.

Углеродистые стали обладают большой критической скоростью охлаждения (закалки) и поэтому для них, как правило, в качестве охлаждающей среды выбирают воду при нормальной температуре.

Закалочное охлаждение эвтектоидной и доэвтектоидных сталей происходит из однофазной аустенитной области, поэтому структура этих сталей после закалки будет представлять мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита.

Заэвтектоидные стали охлаждаются из двухфазной аустенито-цементитной области и структура этих сталей после закалки представляет собой мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита и цементит вторичный.

Температуры критических точек при нагреве сталей и их твердость

Марка стали Массовая доля углерода, % Температура, ˚C Твердость правильно закаленной стали, HRC
АС1 АС3
Углеродистые конструкционные стали
0,17 – 0,24 0,22 – 0,30 0,27 – 0,35 0,32 – 0,40 0,37 – 0,45 0,42 – 0,50 0,47 – 0,55 0,52 – 0,60 0,57 –0,65 34 – 40 42 – 48 48 – 51 54 – 60 60 – 62
Углеродистые инструментальные стали
У7 У8 – У13 – – 62 – 64 63 – 65

1. Титульная часть.

3. Выбор технологических параметров закалки заданных образцов углеродистых сталей в виде таблицы, представленной ниже.

Исходные данные Режим закалки
Марка стали Массовая доля углерода, % Твердость Критические точки Выдержка, мин Охлаждающая среда
HRB НB

4. Результаты закалки.

Марка стали Массовая доля углерода, % Твердость Структура
HRС НB

5. Зависимость твердости закаленной стали от массовой доли углерода.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Что такое закалка?

Как изменяются механические свойства в результате закалки?

Равновесные критические точки, их смысл и обозначение.

Обозначение и отличие фактических критических точек от равновесных.

5. Назначение нагрева, выдержки и охлаждения при закалке.

6. Что такое критическая скорость закалки?

7. От чего зависит и как практически определяется общее время выдержки при закалке?

8. Структура доэвтектоидной закаленной стали.

9. Структура заэвтектоидной закаленной стали.

10. Что такое мартенсит?

11. От чего зависят свойства мартенсита?

12. Основная структурная составляющая закаленной стали.

13. Влияние массовой доли углерода на закаливаемость стали.

14. В чем сущность мартенситного превращения?

15. Почему размер аустенитных зерен влияет на размер пластин мартенсита?

16. Каковы условия получения крупноигольчатого и мелкоигольчатого мартенсита?

17. Чем отличается мартенситное превращение от перлитного?

18. Чем вызывается образование закалочных напряжении?

19. До каких температур нагревают до- и заэвтектоидные стали под закалку?

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9964 – | 7750 – или читать все.

Закалка сталей

Закалка – это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической и последующем быстром охлаждении, со скоростью подавляющей распад аустенита на феррито-цементитную смесь и обеспечивающей структуру мартенсита.

Содержание

Мартенсит и мартенситное превращение в сталях

Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе (α-Fe). Что такое аустенит, цементит, феррит и перлит читаем здесь. При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % углерода) выше точки А1, исходная структура перлит превратится в аустенит. При этом в аустените растворится весь углерод, который имеется в стали, т. е. 0,8 %. Быстрое охлаждение со сверхкритической скоростью (см. рисунок ниже), например в воде (600 °С/сек), препятствует диффузии углерода из аустенита, но кристаллическая ГЦК решетка аустенита перестроится в тетрагональную решетку мартенсита. Данный процесс называется мартенситным превращением. Он характеризуется сдвиговым характером перестройки кристаллической решетки при такой скорости охлаждения, при которой диффузионные процессы становятся невозможны. Продуктом мартенситного превращения является мартенсит с искаженной тетрагональной решеткой. Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали: чем его больше, тем больше степень тетрагональности. Мартенсит – это твердая и хрупкая структура стали. Находится в виде пластин, под микроскопом выглядит, как иглы.

Температура закалки для большинства сталей определяется положением критических точек А1 и А3. На практике температуру закалки сталей определяют при помощи марочников сталей. Как выбрать температуру закалки стали с учетом точек Ас1 и Ас3 читаем по ссылке.

Микроструктура стали после закалки

Для большинства сталей после закалки характерна структура мартенсита и остаточного аустенита, причем количество последнего зависит от содержания углерода и качественного и количественного содержания легирующих элементов. Для конструкционных сталей среднего легирования количество остаточного аустенита может быть в пределах 3-5%. В инструментальных сталях это количество может достигать 20-30%.

Вообще, структура стали после закалки определяется конечными требованиями к механическим свойствам изделия. Наряду с мартенситом, после закалки в структуре может присутствовать феррит или цементит (в случае неполной закалки). При изотермической закалке стали ее структура может состоять из бейнита. Структура, конечные свойства и способы закалки стали рассмотрены ниже.

Частичная закалка стали

Частичной называется закалка, при которой скорости охлаждения не хватает для образования мартенсита и она оказывается ниже критической. Такая скорость охлаждения обозначена синей линией на рисунке. При частичной закалке как-бы происходит задевание “носа” С-кривой стали. При этом в структуре стали наряду с мартенситом будет присутствовать троостит в виде черных островковых включений.

Микроструктура стали с частичной закалкой выглядит примерно следующим образом

Частичная закалка является браком, который устраняется полной перекристаллизацией стали, например при нормализации или при повторном нагреве под закалку.

Неполная закалка сталей

Закалка от температур, лежащих в пределах между А1 и А3 (неполная закалка), сохраняет в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Это понятно, так как твердость феррита составляет 80НВ, а твердость мартенсита зависит от содержания углерода и может составлять более 60HRC. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30–50 °С выше А3 (полная закалка). В теории, неполная закалка сталей не допустима и является браком. На практике, в ряде случаев для избежания закалочных трещин, неполная закалка может использоваться. Очень часто это касается закалки токами высокой частоты. При такой закалке необходимо учитывать ее целесообразность: тип производства, годовую программу, тип ответственности изделия, экономическое обоснование. Для заэвтектоидных сталей закалка от температур выше А1, но ниже Асm дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры Аcm ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита. При этом происходит рост зерна аустенита, что также негативно сказывается на механических характеристиках стали.

Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей является закалка от температуры на 30–50 °С выше А3, а для заэвтектоидных – на 30–50 °С выше А1.

Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей является среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (в интервале носа с-кривой) и замедленно в интервале температур мартенситного превращения.

Стадии охлаждения при закалке

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода различной температуры, полимерные растворы, растворы спиртов, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают несколько стадий охлаждения:

– пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»;

– пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении этой паровой рубашки;

Более подробно про стадии охлаждения при закалке можно прочитать в статье “Характеристики закалочных масел”

Кроме жидких закалочных сред используется охлаждение в потоке газа разного давления. Это может быть азот (N2), гелий (Не) и даже воздух. Такие закалочные среды часто используются при вакуумной термообработке. Здесь нужно учитывать факт возможности получения мартенситной структуры – закаливаемость стали в определенной среде, т. е. химический состав стали от которого зависит положение с-кривой.

Факторы, влияющие на положение с-кривых:

– Углерод. Увеличение содержания углерода до 0,8% увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита, соответственно с-кривая сдвигается вправо. При увеличении содержания углерода более 0,8%, с-кривая сдвигается влево;

– Легирующие элементы. Все легирующие элементы в разной степени увеличивают устойчивость аустенита. Это не касается кобальта, он уменьшает устойчивость переохлажденного аустенита;

– Размер зерна и его гомогенность. Чем больше зерно и чем оно однороднее структура, тем выше устойчивость аустенита;

– Увеличение степени искажения кристаллической решетки снижает устойчивость переохлажденного аустенита.

Температура влияет на положение с-кривых через все указанные факторы.

Способы закалки сталей

На практике применяются различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (схема ниже).

Схема: Скорости охлаждения при разных способах закалки сталей

Непрерывная закалка стали

Непрерывная закалка (1) – способ охлаждения деталей в одной среде. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Данная технология самая распространенная, широко применяется в условиях массового производства. Подходит практически для всех типов конструкционных сталей.

Закалка в двух средах

Закалка в двух средах (скорость 2 на рисунке) осуществляется в разных закалочных средах, с разными температурами . Сначала деталь охлаждают в интервале температур например 890–400 °С например в воде, а потом переносят в другую охлаждающую среду – масло. При этом мартенситное превращение будет происходить уже в масляной среде, что приведет к уменьшению поводок и короблений стали. Такой способ закалки используют при термообработке штампового инструмента. На практике часто используют противоположный технологический прием – сначала детали охлаждают в масле, а затем в воде. При этом мартенситное превращение происходит в масле, а в воду детали перемещают для более быстрого остывания. Таким образом экономится время на осуществление технологии закалки.

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке (скорость 3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем температура мартенситного превращения. Таким образом получается некая изотермическая выдержка перед началом превращения аустенита в мартенсит. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всему сечению детали. Затем следует окончательное охлаждение, во время которого и происходит превращение мартенситное превращение. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями. Изотермическую выдержку можно сделать чуть ниже температуры Мн, уже после начала мартенситного превращения (скорость 6). Такой способ более затруднителен с технологической точки зрения.

Изотермическая закалка сталей

Изотермическая закалка (скорость 4) делается для получения бейнитной структуры стали. Данная структура характеризуется отличным сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке детали охлаждают в ванне с расплавами солей, которые имеют температуру на 50–150 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до конца превращения аустенита в бейнит, а затем охлаждают на воздухе.

При закалке на бейнит возможно получение двух разных структур: верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит имеет перистое строение. Он образуется в интервале 500-350°С и состоит из частиц феррита в форме реек толщиной

Зачем нужна и как проводится закалка стали?

Закалкой называют вид термической обработки металлов, который заключается в нагреве выше критической температуры с последующим резким охлаждением (обычно) в жидких средах. Критической называют температуру, при которой происходит изменение типа кристаллической решетки, то есть осуществляется полиморфное превращение. Она определяется она по диаграмме «железо-углерод». фото

Свойства стали после закалки

После закалки увеличивается твердость и прочность стали, но при этом повышаются внутренние напряжения и возрастает хрупкость, провоцирующие разрушение материала при резких механических воздействиях. На поверхности изделия появляется толстый слой окалины, который необходимо учитывать при определении припусков на обработку.

Внимание! Некоторые изделия закаляются частично, например, это может быть только режущая кромка инструмента или холодного оружия. В этом случае на поверхности изделия можно наблюдать четкую границу, разделяющую закаленную и незакаленную части. Закаленную часть на клинках называют «хамон», что в переводе на современный язык металлургии означает «мартенсит».

Определение! Мартенсит – основная составляющая структуры стали после закалки. Вид этой микроструктуры – игольчатый или реечный.

Для уменьшения внутренних напряжений и роста пластичности осуществляют следующий этап термообработки – отпуск. При отпуске происходит некоторое снижение твердости и прочности.

Технология закалки

Режим закалки определяется температурой, временем выдержки, скоростью охлаждения, используемой охлаждающей средой.

Способы закалки стали:

  • в одном охладителе – применяется при работе с деталями несложной конфигурации из углеродистых и легированных сталей;
  • прерывистый в двух средах – востребован для обработки высокоуглеродистых марок, которые сначала остужают в быстро охлаждающей среде (воде), а затем в медленно охлаждающей (масле);
  • струйчатый – обычно востребован при частичной закалке изделия, осуществляется в установках ТВЧ и индукторах обрызгиванием детали мощной струей воды;
  • ступенчатый – процесс, при котором деталь остывает в закалочной среде, приобретая во всех точках сечения температуру закалочной ванны, окончательное охлаждение осуществляют медленно;
  • изотермический – похож на предыдущий вид закалки стали, отличается от него временем пребывания в закалочной среде.

Типы охлаждающих сред

От правильного выбора охлаждающей среды во многом зависит конечный результат процесса.

    Для поверхностной закалки и работы с изделиями простой конфигурации, предназначенными для дальнейшей обработки, применяется в основном вода. Она не должна содержать соли и примеси моющих средств, оптимальная температура +30°C.

Внимание! Использовать этот способ охлаждения для деталей сложной конфигурации не рекомендуется из-за риска появления трещин.

  • Для изделий сложной формы применяют 50% раствор каустической соды, который нагревают до +60°C. При использовании такого состава для охлаждения сталь приобретает светлый оттенок. Пары каустической соды вредны для здоровья человека.
  • Для тонкостенных деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, применяются минеральные масла, обеспечивающие постоянную температуру охлаждения, не зависящую от температуры окружающей среды. Главное условие, которое необходимо соблюдать при охлаждении сталей после закалки, – отсутствие воды в минеральных маслах. Недостатки процесса: выделение вредных для человека паров, возможность возгорания масла, образование налета, постепенная потеря эффективности охлаждающего состава.
  • Внимание! Для работы с изделиями из углеродистых сталей со сложным химическим составом используют комбинированное охлаждение. Оно состоит из двух этапов. Первый – охлаждение детали в воде, второй, после +200°C, – в масляной ванне. Перемещение из одной охлаждающей среды в другую должно производиться очень быстро.

    Какие стали можно закаливать?

    Процедурам закалки и отпуска не подвергается прокат и изделия из него, изготовленные из малоуглеродистых сталей типа 10, 20, 25. Этот вид термообработки эффективен для углеродистых сталей (45, 50) и инструментальных, у которых в результате твердость увеличивается в три-четыре раза.

    Таблица режимов закалки и областей применения для некоторых видов инструментальных сталей

    Читать еще:  Какого цвета провод идет на заземление
    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector