Всего на сайте:
210 тыс. 306 статей

Главная | Химия

Закалка  Просмотрен 172

Закалка - это упрочняющая термическая обработка, которая проводится с целью повышения твёрдости и прочности. Температура нагрева при закалке определяется положением критических точек Ас1 и Ас3. Скорость охлаждения должна быть равной или больше критической.

Доэвтектоидные стали нагревают под закалку до температуры на 50…60°С выше Ас3 (рис. 3.17). В этом случае сталь приобретает аустенитную структуру.

Рис. 3.17. Интервал закалочных температур (заштриховано)

В процессе охлаждения аустенит превращается в мартенсит. Заэвтектоидные стали под закалку нагревают до температуры на 50…60 °С выше Ас3 В этом случае при нагреве формируется структура аустенита и цементита вторичного. После охлаждения со скоростью критической структура состоит из мартенсита и цементита, которые обладают высокой твёрдостью. Интервал нагрева под закалку представлен на рис. 3.17.

Наиболее распространёнными охлаждающими средами являются вода и масло. Вода охлаждает очень быстро, а масло - медленно.

При выборе охлаждающей среды для закалки необходимо учитывать тот факт, что возникают внутренние напряжения, которые могут привести к образованию трещин. Внутренние напряжения бывают термические и структурные. Термические напряжения связаны с перепадом температур по сечению при охлаждении. Структурные напряжения обусловлены следующими причинами: 1) природой мартенсита (пересыщенный твёрдый раствор углерода в Feα), что приводит к искажению решётки, 2) разным удельным объёмом мартенсита и аустенита (удельный объём мартенсита больше, чем аустенита).

На рис. 3.18 на С-образные диаграммы углеродистой и легированной стали нанесены скорости охлаждения в воде и масле.

Рис.

3.18. Скорости охлаждения в воде и масле, нанесённые на диаграмму изотермического распада аустенита

Поскольку для легированной стали критическая скорость охлаждения значительно меньше, чем для углеродистой, то легированную сталь для получения мартенсита можно охлаждать в масле, что снижает внутренние напряжения. Углеродистые стали, которые имеют большую критическую скорость охлаждения необходимо охлаждать быстро, например, в воде. При этом могут возникнуть большие внутренние напряжения, которые приводят к короблению изделия и появлению трещин.

В практике термической обработки применяются специальные виды закалки, уменьшающие внутренние напряжения: с подстуживанием (3), прерывистая (в двух средах) (4), ступенчатая (2), изотермическая (1) (рис. 3.19).

При первых трёх видах закалки получают структуру мартенсит, но добиваются существенного уменьшения термических напряжений и некоторого уменьшения структурных.

Рис. 3.19. Специальные виды закалки

После изотермической закалки получают структуру бейнита, при формировании которой внутренние напряжения значительно меньше, чем при мартенситном превращении, поскольку феррит, входящий в состав бейнита, меньше пересыщен углеродом, чем мартенсит.

 

Отпуск

Сталь в результате закалки получает высокую твёрдость, но при этом возникшие внутренние напряжения приводят к увеличению хрупкости. Поэтому после закалки обязательно необходимо провести такую термическую обработку как отпуск, который заключается в нагреве до температуры ниже критической точки Ас1 выдержке при этой температуре и последующем охлаждении, в основном, на воздухе. Отпуск является окончательным видом термической обработки и проводится с целью:

1. частично или полностью снять внутренние напряжения, возникшие при закалке;

2. получить необходимый комплекс механических свойств.

В зависимости от температуры различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск проводится в интервале температур 150…220°С. Мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска, для которого характерна меньшая степень тетрагональности решетки мартенсита за счет перемещения атомов (ионов) углерода к вакансиям и дислокациям. Это приводит к уменьшению внутренних напряжений на 1/3. Твердость и прочность после низкого отпуска практически не меняются. Низкий отпуск применяют в тех случаях, когда необходима высокая твердость и износостойкость изделия. Такой отпуск используют для инструмента, а также для деталей, которые работают в условиях трения и износа после поверхностной закалки и после цементации или нитроцементации.

Средний отпуск проводят в интервале температур 350…500°С.

При этом, мартенсит распадается на феррито-цементитную смесь, называемую трооститом отпуска, в котором цементитные включения имеют зернистую форму (рис. 3.20, а). На 2/3 уменьшаются внутренние напряжения. Существенно повышается предел текучести. Поэтому применяют средний отпуск, главным образом, для рессор и пружин.

Высокий отпуск проводят в интервале температур 500…680 °С. При этой температуре, происходит два процесса: распад мартенсита на феррито-цементитную смесь и процесс укрупнения карбидных (цементитных) частиц сферической формы. Это процесс называется коалесценцией. В результате получаем структуру зернистого строения, которая называется сорбит отпуска (рис. 3.20, б). Полностью снимаются внутренние напряжения. Резко повышаются пластичность и ударная вязкость, сохраняется на достаточно высоком уровне условный предел текучести.

Рис. 3.20. Схематичное изображение структуры троостита отпуска (а) и сорбита отпуска

При высоком отпуске получаются более крупные карбиды зернистой формы, чем при среднем отпуске.

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением.

Улучшение по сравнению с нормализацией или отжигом одновременно повышает все прочностные характеристики, пластичность и особенно ударную вязкость. Это обусловлено тем, что в результате распада аустенита при нормализации или отжиге формируется феррито-цементитная смесь пластинчатого строения (рис. 3.21) - сорбит закалки (троостит закалки), а в результате распада мартенсита при отпуске - зернистого строения - сорбит отпуска (троостит отпуска) (рис.3.20, б), где значительно меньше концентраторов напряжений.

Рис. 3.21.

Схематическое изображение структуры сорбита (С), полученного после нормализации

Улучшению подвергают среднеуглеродистые конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости. Что касается примеров деталей, которые подвергаются улучшению, то это шатуны, коленвалы, клапаны и др.

При одинаковых значениях временного сопротивления сталь, имеющая зернистую структуру, обладает большей пластичностью, ударной вязкостью, условным пределом выносливости по сравнению со сталью, имеющей пластинчатую структуру.

На рис. 3.22 приведена зависимость механических свойств закаленной стали 40 от температуры отпуска.

С увеличением температуры отпуска твёрдость и прочность снижаются, а пластичность и ударная вязкость - возрастают.

Рис. 3.22. Характер изменения механических свойств среднеуглеродистой стали при отпуске

 

Контрольные вопросы

1. С какой целью проводится гомогенизирующий отжиг?

2. Когда проводится рекристаллизационный отжиг?

3. Что такое неполный отжиг?

4. В чём заключается полный отжиг?

5. Что представляет собой изотермический отжиг?

6. В чём заключается нормализация?

7. Что такое закалка?

8. Как выбирают температуру нагрева под закалку для заэв- тектоидных сталей?

9. В какой среде и почему, как правило, охлаждают при закалке углеродистые и легированные стали?

10. С какой целью проводятся специальные виды закалки?

11. Что такое отпуск, и какие виды отпуска Вам известны?

12. Как изменяются механические свойства стали с повышением температуры отпуска?

 

Предыдущая статья:Отжиг и нормализация Следующая статья:Закаливаемость и прокаливаемость
page speed (0.012 sec, direct)