1. Тепловые напряжения.

2. Фазовые напряжения.

3. Изотермическая закалка.

4. Закалочные среды.

При закалке металлов возникают внутренние напряжения. Причины могут быть различными. Неравномерное охлаждение поверхности и сердцевины изделий вызывает напряжения, называемые тепловыми. Из-за изменений объема, а также неоднородности протекания мартенситного превращения по объему изделия возникают напряжения, называемые структурными или фазовыми.

Тепловые напряжения для процесса охлаждения отожженной стали от температуры ниже Ас₁ (727⁰С) характерны. Только фазовые напряжения в этом случае отсутствуют.

При быстром охлаждении распределение температур по сечению изделия неодинаково и изменение объема также неравномерно. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние. Но, этому процессу препятствуют внутренние слои, вследствие чего в поверхностных слоях образуются временные (исчезающие после снятия нагрузки) растягивающие напряжения. Во внутренних слоях одновременно возникают сжимающие напряжения. Даже тогда, когда поверхность охладится и прекратится изменение объема, сердцевина еще будет испытывать тепловое сжатие. Напряжения начнут уменьшаться, и, в какой-либо момент произойдет изменение знака напряжений на поверхности и в сердцевине.

После окончательного охлаждения на поверхности получаются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине – напряжения растяжения (рис. а).

Эпюры остаточных напряжений:

  а) тепловые             б) структурные       в) суммарные

 Появление остаточных напряжений – это результат того, что временные напряжения вызывают как упругую, так и пластическую деформацию слоев по сечению.

2. Фазовые и суммарные напряжения.

Рассмотрим условия возникновения фазовых напряжений при полной прокаливаемости (без учета тепловых напряжений).

Когда при закалке достигается температура ниже т. Мн, мартенсит в 1-ую очередь образуется на поверхности, т.к. здесь т. Мн будет достигнута раньше, чем в сердцевине. Известно также, что превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема, поэтому на поверхности возникают временные сживающие напряжения, а во внутренних слоях – растягивающие напряжения. С развитием превращения знак напряжений на поверхности и в сердцевине изменяется.

По сравнению с тепловыми напряжениями структурные изменяются в обратном порядке. В результате мартенситного превращения на поверхности образуются остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине – напряжения сжатия (рис. б). Эти остаточные напряжения, как и тепловые, возникают в результате появления под действием временных напряжений не только упругой, но и неодинаковой по сечению остаточной деформации.

При закалке стали возникают как тепловые, так и фазовые напряжения одновременно, поэтому их суммируют (рис. в). В данном случае (согласно приведенной схеме) тепловые напряжения больше структурных, поэтому на поверхности образуются напряжения сжатия.

В зависимости от соотношения между тепловым и структурными напряжениями могут получиться различные эпюры суммарных напряжений. Напряжения в поверхностных слоях могут иметь различный знак и величину. Часто величина фазовых напряжений больше тепловых.

Следует отметить, что остаточные напряжения всегда меньше временных напряжений, образующихся в процессе охлаждения.

Если металл мало пластичен и величина напряжений превышает сопротивление отрыву, то в результате происходит образование трещин. Наиболее опасны при этом растягивающие напряжения на поверхности, способствующие образованию трещин и снижающие предел выносливости стали.

Растягивающие напряжения возникают в основном вследствие структурных напряжений, которые стремятся уменьшить. Структурные напряжения тем больше, чем выше температура закалки и скорость охлаждения в интервале температур Мн и Мк. Чтобы снизить структурные напряжения, замедляют скорость охлаждения ниже т. Мн и избегают перегрева стали.

Изотермическая закалка.

Изотермической закалкой называется операция нагрева стали, как и при обычной закалке, выше линии GSK, т.е. до аустенитного состояния доэвтектоидной стали или аустенитно-карбидного – заэвтектоидной, ускоренного ее охлаждения в зоне наименьшей устойчивости аустенита в расплавленной соли, имеющей температуру выше т. Мн, выдержки в горячей среде в зоне промежуточного превращения до полного его завершения и последующего охлаждения на воздухе.

Температура изотермической выдержки зависит от требуемых свойств деталей и лежит выше т. Мн, но ниже зоны перлитного превращения. Изотермическая закалка позволяет в значительной степени устранить большую разницу в скорости охлаждения поверхности и сердцевины изделий, являющуюся основной причиной образования термических напряжений. Кроме того, при изотермической закалке бездиффузионное мартенситное превращение заменяется диффузионным промежуточным превращением, которое протекает постепенно и одновременно по всему сечению. Это уменьшает образование структурных напряжений. При охлаждении после изотермической выдержки, благодаря закончившемуся превращению аустенита, структурные изменения уже не происходят.

В результате изотермической закалки детали получают структуру Бейнита с высокой и средней твердостью, достаточно вязкую, прочную и хорошо сопротивляющуюся ударной нагрузке.

Отсутствие значительных термических и структурных напряжений резко снижает брак, связанный с образованием трещин, короблением и изменением размеров деталей.

Другими методами закалки структуру Бейнита получить не удается.

Изотермической закалке подвергают детали из простых углеродистых и низколегированных сталей тонкого сечения (не более 5-10 мм). При больших сечениях невозможно в горячей среде переохладить аустенит без распада до температур, лежащих выше т. Мн, из-за малой устойчивости аустенита.

Изотермическая закалка деталей более крупных сечений применима главным образом к высоколегированным сталям, в которых аустенит более устойчив (кривые на диаграммах изотермического превращения аустенита достаточно сдвинуты вправо). В этом случае можно избежать перлитного превращения в горячей среде и достигнуть зоны более устойчивого аустенита.

Очень хорошие результаты дает изотермическая закалка таких деталей, как пружины, болты, шайбы, трубы, различные мелкие детали для автомобилей, прочих машин и механизмов.

Изотермическая закалка стальной проволоки в расплавленной свинцовой ванне называется патентированием.

    4. Закалочные среды.

Для успешного проведения термической обработки большое значение имеет правильный выбор закалочной среды.

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, 5-10% водный раствор NaOH или NaCl, минеральное масло, а также расплавы солей с низкой температурой плавления.

При закалке стали требуется быстро охладить аустенит при температурах наименьшей его устойчивости, т.е. при 650-550⁰С до Мн. В зоне температур мартенситного превращения, т.е. ниже 300⁰С, наоборот выгоднее применять замедленное охлаждение, чтобы образующиеся структурные напряжения успели выровняться. Твердость образовавшегося мартенсита при выдержке ниже Мн практически не снижается.

Данные о скоростях охлаждения и наиболее распространенных закалочных средах приводим в таблице.

Скорость охлаждения в различных закалочных средах (по С. С. Штейнбергу).

Из данных таблицы видно, что идеальной закалочной среды, которая удовлетворяла бы всем условиям, нет. Раствор NaOH или NaCl в воде и вода выгодны при охлаждении в зоне температур 650-550, но они могут вызвать внутренние напряжения, коробление и трещины при охлаждении в зоне температур ниже Мн, т.е. 300-200, вследствие того, что быстро охлаждают в этом интервале температур.

Масло, наоборот, невыгодно в зоне температур 650-550⁰С и очень выгодно, вследствие умеренного охлаждения, в зоне мартенситного превращения, т.е. ниже 300-200⁰С.

При закалке в масле образуется паровая рубашка, препятствующая теплопередаче. Так как вследствие вязкости закалочной среды паровая рубашка медленно устраняется, то и охлаждение протекает медленно.

В воде паровая рубашка разрывается легче. Отработанная вода закаливает сильнее, чем свежая, в которой растворенные газы вызывают образование паро-газовой рубашки вокруг деталей.

Еще быстрее охлаждение идет в растворе NaOH. Частички едкого Na, попадая на раскаленный металл, взрывается и разрывает паровую рубашку. Это преимущество растворов едкого Na обеспечивает их широкое применение для закалки простых среднеуглеродистых сталей. Наибольшая скорость охлаждения достигается при закалке стали в потоке сжатого холодного [защитного] газа.

В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалке чаще применяют расплавленные соли в интервале температур 150-500⁰С, например, 55% KNO₃ и 45% NaNO₂ (или NaNO₃), а также расплавленные щелочи (20% NaOH и 80% КОН). Чем ниже температура соли (щелочи), тем выше скорость охлаждения в ней. Поскольку расплавленные соли охлаждаются только вследствие теплоотдачи, то охлаждающая способность их возрастает при перемешивании. Добавление воды (3-5%) в расплавы едких щелочей, при погружении в них нагретого для закалки изделия, вызывает кипение и увеличение скорости охлаждения в области температур перлитного превращения. Скорость охлаждения возрастает при 400-450⁰С в 4 – 5 раз, а при 300⁰С – в 2 раза.

Охлаждение в расплавах едких щелочей, если предварительно детали охладились в жидких солях, не вызывающих окисления, позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Закалку по этому способу называют светлой.