Краткие теоретические сведения. Для повышения твердости и прочности углеродистой стали ис­пользуют закалку в воде

Для повышения твердости и прочности углеродистой стали ис­пользуют закалку в воде. Температуру под закалку выбирают исходя из диаграммы состояния Fе-С. Продолжитель­ность нагрева зависит от формы и размеров нагреваемых образцов или деталей.

После закалки на мартенсит углеродистая сталь имеет высокую твердость (58-62 HRC), но низкую пластичность. Кроме того, в про­цессе закалки возникают довольно значительные закалочные напря­жения. Поэтому закалка углеродистых сталей не является оконча­тельной обработкой.

Закалочные напряжения подразделяются на:

1. Термические (тепловые);

2. Фазовые (структурные).

Напряжения, которые возникают в результате неравномерности охлаждения детали по сечению, называют термическими. Напряжения, возникающие в результате структурных превраще­ний (в данном случае мартенситных) в охлаждаемой детали, называ­ют фазовыми. Возникновение фазовых напряжений при закалке обус­ловлено двумя причинами:

1. Удельный объем мартенсита больше, чем удельный объем аустенита.

2. Неодновременное протекание мартенситного превращения в поверхностных и внутренних слоях детали.

Рассмотрим процесс возникновения закалочных (термических и фазовых) напряжений подробнее.

В начальном промежутке времени поверхностные слои охлажда­ются быстрее, чем внутренние. Это приводит к неравномерности из­менения объема: поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внут­ренние, т.е. внутренние слои препятствуют сжатию внешних. Вслед­ствие этого в поверхностных слоях возникают растягивающие, а во внутренних - сжимающие напряжения. При охлаждении поверхност­ных слоев до 240 °С в них начинается мартенситное превращение, в результате чего увеличивается объем, а внутренние слои продол­жают сжиматься. Фазовые напряжения на этом этапе противоположны по знаку температурным напряжениям. В результате сжатия внутренних слоев и расширения поверхностных слоев закалочные напряжения немного уменьшаются.

Через некоторый промежуток времени во внутренних слоях на­чинает протекать мартенситное превращение, что приводит к увели­чению их объема. При этом растягивающие напряжения в поверхност­ных слоях значительно возрастают.

При дальнейшем понижении температуры растягивающие напряже­ния в поверхностных слоях несколько ослабляются, но сохраняются и после полного охлаждения.

Таким образом, следует обратить внимание на то, что: 1) закалочные напряжения получаются наибольшими не после окончательного охлаждения, а в процессе самого охлаждения и мо­гут вызвать коробление детали; 2) в поверхностных слоях возникают значительные растягиваю­щие напряжения, которые могут привести к появлению трещин (сжи­мающие напряжения трещин не вызывают).

Для уменьшения или полного устранения закалочных напряжений, а также для повышения пластичности стали после закалки проводят отпуск. В зависимости от температур нагрева различают 3 вида отпуска: низкий, средник и высокий.

Низкий отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры 150-250 °С. Время выдержки зависит от формы и размеров детали. Выдержка должна обеспечить получение ста­бильной структуры при данной температуре отпуска. При низком от­пуске мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска (см. ат­лас микроструктур). Это превращение связано с уменьшением степе­ни тетрагональности мартенсита, которое происходит за счет выде­ления углерода из мартенсита в виде карбидных частиц Fе₂С, коге­рентно связанных с твердым раствором. Структура стали после низ­кого отпуска состоит из мартенсита с меньшим содержанием углеро­да, чем исходный мартенсит, и мелких карбидных частиц.

Низкий отпуск предназначен для частичного снятия внутренних закалочных напряжений без заметного снижения твердости. Этому виду отпуска подвергают детали, которым требуется высокая твер­дость и износостойкость (режущий и мерительный инструмент, детали, прошедшие цементацию, поверхностную закалку и т.д.).

Средний отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры 350-450 °С. При таких температурах диф­фузионное перераспределение углерода в стали активизируется. Углерод покидает кристаллическую решетку мартенсита. Проис­ходит образование мелких устойчивых частиц карбида Fе_зС сферической формы. Выделение избыточного углерода из решетки мартенсита приводит к образованию феррита.

Получаемая после среднего отпуска структура называется трооститом отпуска. В отличие от троостита, полученного после за­калки в масле, троостит отпуска имеет зернистое строение высокой дисперсности (рис. 16.1).

В процессе среднего отпуска происходит уменьшение закалочных напряжений. Наблюдается повышение упругих свойств стали, некоторое снижение твердости и прочности. Этому виду отпуска подвергают рессоры и пружины.

Рисунок 16.1 – Пластинчатая (а) и зернистая (б) феррито-цементитная смесь

Высокий отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры 500-650°С. Получаемая после высокого отпуска структура сорбита отпуска представляет собой феррито-цементитную смесь зернистого строения средней степени дисперсности (см. атлас микроструктур). Высокий отпуск обеспечивает полное снятие зака­лочных напряжений и дает наилучшее сочетание твердости, прочнос­ти, пластичности и ударной вязкости. Термообработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется термическим улучшением стали. Термическому улучшению подвергают ответственные детали ма­шин, изготовленные из углеродистых конструкционных сталей, испыты­вающие в эксплуатации статические, ударные и знакопеременные нагрузки. Термическое улучшение позволяет понизить чувствитель­ность к надрезам и перекосам, к конструктивным переходам от одно­го сечения к другому, к изменению размеров детали и т.д.

Таблица 16.1 – Виды и применение отпуска закаленных сталей

Таким образом, для получения заданной твердости у одной и той же стали можно использовать охлаждение аустенита с заданной скоростью или закалку и отпуск. При одинаковой твердости, которая определяется степенью дисперсности феррито-цементитной смеси, об­работка по второму варианту обеспечивает более высокую пластич­ность стали и лучшее сопротивление развитию трещины. Это объясня­ется тем, что при такой термической обработке феррито-цементитная смесь имеет зернистое строение.