Закалка стали является наиболее важным и наиболее широко используемым процессом в процессе термической обработки. Закалка позволяет значительно повысить прочность и твердость стали.
Определение и цель закалки
Сталь нагревают до температуры выше критической точки Ас3 (доэвтектоидная сталь) или Ас1 (заэвтектоидная сталь), выдерживают в течение периода времени для полной или частичной аустенизации, а затем охлаждают со скоростью, превышающей критическую скорость закалки. Процесс термообработки, превращающий переохлажденный аустенит в мартенсит или низший бейнит, называется закалкой.
Целью закалки является преобразование переохлажденного аустенита в мартенсит или бейнит для получения мартенситной или низшей бейнитной структуры, которую затем сочетают с отпуском при различных температурах для значительного улучшения прочности, твердости и стойкости стали. Износостойкость, усталостная прочность, ударная вязкость и т. д. для удовлетворения различных требований к использованию различных механических деталей и инструментов. Закалку также можно использовать для обеспечения особых физических и химических свойств некоторых специальных сталей, таких как ферромагнетизм и коррозионная стойкость.
При охлаждении стальных деталей в закалочной среде с изменением физического состояния процесс охлаждения обычно разделяют на следующие три этапа: этап паровой пленки, этап кипения и этап конвекции.
Прокаливаемость стали
Прокаливаемость и прокаливаемость — два эксплуатационных показателя, характеризующие способность стали подвергаться закалке. Они также являются важной основой для выбора и использования материалов.
1. Понятия прокаливаемость и прокаливаемость.
Прокаливаемость — это способность стали достигать максимальной твердости, которую она может достичь при закалке в идеальных условиях. Основным фактором, определяющим прокаливаемость стали, является содержание углерода в стали, точнее, содержание углерода, растворенного в аустените при закалке и нагреве. Чем выше содержание углерода, тем выше прокаливаемость стали. Легирующие элементы в стали мало влияют на прокаливаемость стали, но оказывают существенное влияние на прокаливаемость стали.
Под прокаливаемостью понимают характеристики, определяющие глубину закалки и распределение твердости стали в заданных условиях. То есть возможность получения глубины закаленного слоя при закалке стали. Это неотъемлемое свойство стали. Прокаливаемость фактически отражает легкость, с которой аустенит превращается в мартенсит при закалке стали. В основном это связано со стабильностью переохлажденного аустенита стали или с критической скоростью закалочного охлаждения стали.
Следует также отметить, что прокаливаемость стали следует отличать от эффективной глубины закалки стальных деталей при конкретных условиях закалки. Прокаливаемость стали является неотъемлемым свойством самой стали. Это зависит только от собственных внутренних факторов и не имеет ничего общего с внешними факторами. Эффективная глубина прокаливаемости стали зависит не только от прокаливаемости стали, но и от используемого материала. Это связано с внешними факторами, такими как охлаждающая среда и размер заготовки. Например, при одинаковых условиях аустенизации прокаливаемость одной и той же стали одинакова, но эффективная глубина закалки при закалке в воду больше, чем при закалке в масло, а мелкие детали меньше, чем при закалке в масло. Эффективная глубина закалки крупных деталей велика. Это не означает, что закалка в воду имеет более высокую прокаливаемость, чем закалка в масло, и нельзя сказать, что мелкие детали имеют более высокую прокаливаемость, чем крупные детали. Видно, что для оценки прокаливаемости стали необходимо исключить влияние внешних факторов, таких как форма, размер заготовки, охлаждающая среда и т. д.
Кроме того, поскольку прокаливаемость и прокаливаемость — два разных понятия, сталь с высокой твердостью после закалки не обязательно обладает высокой прокаливаемостью; а сталь с низкой твердостью может также иметь высокую прокаливаемость.
2. Факторы, влияющие на прокаливаемость
Прокаливаемость стали зависит от стабильности аустенита. Любой фактор, который может улучшить стабильность переохлажденного аустенита, сдвинуть кривую C вправо и тем самым снизить критическую скорость охлаждения, может улучшить прокаливаемость высокопрочной стали. Устойчивость аустенита в основном зависит от его химического состава, размера зерна и однородности состава, которые связаны с химическим составом стали и режимами нагрева.
3.Метод определения прокаливаемости.
Существует множество методов измерения прокаливаемости стали, наиболее часто используемые из них — метод измерения критического диаметра и метод определения конечной прокаливаемости.
(1) Метод измерения критического диаметра: после закалки стали в определенной среде максимальный диаметр, при котором весь мартенсит или 50% мартенситной структуры образуется в центре, называется критическим диаметром и обозначается Dc. Метод измерения критического диаметра состоит в том, чтобы изготовить серию круглых стержней разного диаметра и после закалки измерить кривую твердости U, распределенную по диаметру на каждом участке образца, и найти стержень с полумартенситной структурой в центре. Диаметр круглого стержня Это критический диаметр. Чем больше критический диаметр, тем выше прокаливаемость стали.
(2) Метод испытания торцевой закалкой. В методе испытания торцевой закалки используется образец стандартного размера, закаленный с торца (диаметр 25 мм × 100 мм). После аустенизации на одну торцевую поверхность специального оборудования распыляется вода для его охлаждения. После охлаждения он охлаждается в направлении оси. Метод испытаний для измерения кривой зависимости между твердостью и расстоянием от конца водяного охлаждения. Метод испытания на закалку является одним из методов определения прокаливаемости стали. Его преимуществами являются простота эксплуатации и широкий спектр применения.
4. Закалочное напряжение, деформация и растрескивание.
(1) Внутреннее напряжение заготовки во время закалки
При быстром охлаждении заготовки в закалочной среде, поскольку заготовка имеет определенный размер и коэффициент теплопроводности также имеет определенную величину, во время процесса охлаждения вдоль внутреннего сечения заготовки будет возникать определенный градиент температуры. Температура поверхности низкая, температура ядра высокая, а температура поверхности и ядра высокая. Есть разница температур. В процессе охлаждения заготовки также наблюдаются два физических явления: одно — тепловое расширение, поскольку при падении температуры длина линии заготовки сокращается; другой — превращение аустенита в мартенсит, когда температура падает до точки мартенситного превращения. , что увеличит удельный объем. Из-за разницы температур в процессе охлаждения величина теплового расширения будет разной в разных частях поперечного сечения заготовки, и в разных частях заготовки будут возникать внутренние напряжения. Из-за существования разницы температур внутри заготовки также могут быть детали, где температура падает быстрее, чем точка возникновения мартенсита. Преобразование, объем расширяется, а детали с высокой температурой все еще находятся выше точки и все еще находятся в аустенитном состоянии. Эти разные части также будут создавать внутреннее напряжение из-за различий в конкретных изменениях объема. Таким образом, в процессе закалки и охлаждения могут возникать два вида внутреннего напряжения: термический стресс и тканевой стресс.
По временным характеристикам внутреннего напряжения его также можно разделить на мгновенное напряжение и остаточное напряжение. Внутреннее напряжение, создаваемое заготовкой в определенный момент процесса охлаждения, называется мгновенным напряжением; после охлаждения заготовки напряжение, остающееся внутри заготовки, называется остаточным напряжением.
Термическое напряжение — это напряжение, вызванное неравномерным тепловым расширением (или холодным сжатием) из-за разницы температур в разных частях заготовки при ее нагреве (или охлаждении).
Теперь на примере твердого цилиндра проиллюстрируем закономерности образования и изменения внутренних напряжений в процессе его охлаждения. Здесь обсуждается только осевое напряжение. В начале охлаждения, поскольку поверхность быстро остывает, температура низкая и сильно сжимается, тогда как ядро остывает медленно, температура высокая, а усадка небольшая. В результате поверхность и внутренняя часть взаимодействуют друг с другом, в результате чего на поверхности возникают растягивающие напряжения, в то время как ядро находится под давлением. стресс. По мере охлаждения разница температур внутри и снаружи увеличивается, соответственно увеличивается и внутреннее напряжение. Когда напряжение увеличивается и превышает предел текучести при этой температуре, происходит пластическая деформация. Поскольку температура ядра выше, чем температура поверхности, ядро всегда сначала сжимается в осевом направлении. В результате пластической деформации внутренние напряжения уже не увеличиваются. После охлаждения до определенного периода времени снижение температуры поверхности будет постепенно замедляться, а также постепенно уменьшаться ее усадка. В это время ядро все еще сжимается, поэтому растягивающие напряжения на поверхности и сжимающие напряжения на ядре будут постепенно уменьшаться, пока не исчезнут. Однако по мере продолжения охлаждения влажность поверхности становится все ниже и ниже, а степень усадки становится все меньше или даже перестает уменьшаться. Поскольку температура сердечника все еще высока, он будет продолжать сжиматься, и, наконец, на поверхности заготовки образуется сжимающее напряжение, в то время как сердечник будет испытывать растягивающее напряжение. Однако из-за низкой температуры вызвать пластическую деформацию непросто, поэтому по мере охлаждения это напряжение будет увеличиваться. Оно продолжает увеличиваться и в конечном итоге остается внутри заготовки в виде остаточного напряжения.
Видно, что термическое напряжение в процессе охлаждения первоначально приводит к растяжению поверхностного слоя и сжатию ядра, а оставшееся остаточное напряжение вызывает сжатие поверхностного слоя и растяжение ядра.
Подводя итог, можно сказать, что термическое напряжение, возникающее во время закалочного охлаждения, вызвано разницей температур в поперечном сечении во время процесса охлаждения. Чем выше скорость охлаждения и чем больше разница температур в поперечном сечении, тем больше возникает термическое напряжение. При одинаковых условиях охлаждающей среды, чем выше температура нагрева заготовки, тем больше ее размер, тем меньше коэффициент теплопроводности стали, тем больше разница температур внутри заготовки и тем больше термическое напряжение. Если заготовку охладить неравномерно при высокой температуре, она искривится и деформируется. Если мгновенное растягивающее напряжение, возникающее в процессе охлаждения заготовки, превышает предел прочности материала, возникнут закалочные трещины.
Под напряжением фазового превращения понимают напряжение, вызванное разным временем фазового превращения в различных частях заготовки во время процесса термообработки, также известное как напряжение ткани.
При закалке и быстром охлаждении, когда поверхностный слой охлаждается до точки Ms, происходит мартенситное превращение, вызывающее объемное расширение. Однако из-за непроходимости ядра, еще не претерпевшего трансформацию, поверхностный слой создает сжимающие напряжения, а ядро - растягивающее. Когда напряжение достаточно велико, оно вызовет деформацию. Когда сердечник охлаждается до точки Ms, он также претерпевает мартенситное превращение и расширяется в объеме. Однако из-за ограничений преобразованного поверхностного слоя с низкой пластичностью и высокой прочностью его окончательное остаточное напряжение будет в виде поверхностного натяжения, а ядро будет находиться под давлением. Видно, что изменение и конечное состояние напряжения фазового превращения прямо противоположны термическому напряжению. Более того, поскольку напряжение фазового перехода возникает при низких температурах с низкой пластичностью, деформация в это время затруднена, поэтому напряжение фазового перехода с большей вероятностью вызовет растрескивание заготовки.
Существует множество факторов, влияющих на величину напряжения фазового превращения. Чем быстрее скорость охлаждения стали в интервале температур мартенситного превращения, тем больше размер стальной детали, тем хуже теплопроводность стали, больше удельный объем мартенсита, тем больше напряжение фазового превращения. Чем больше. Кроме того, напряжение фазового превращения также связано с составом стали и прокаливаемостью стали. Например, высокоуглеродистая высоколегированная сталь увеличивает удельный объем мартенсита из-за высокого содержания углерода, что должно увеличивать напряжения фазового превращения стали. Однако по мере увеличения содержания углерода точка Ms снижается, и после закалки остается большое количество остаточного аустенита. Его объемное расширение уменьшается, а остаточное напряжение низкое.
(2) Деформация заготовки во время закалки
При закалке различают два основных вида деформации заготовки: один — изменение геометрической формы заготовки, проявляющееся в изменении размеров и формы, часто называемое деформацией коробления, вызываемой закалочными напряжениями; другой — объемная деформация. , что проявляется в пропорциональном расширении или сжатии объема детали, что вызвано изменением удельного объема при фазовом переходе.
Деформация коробления также включает деформацию формы и деформацию скручивания. Деформация кручения в основном вызвана неправильным размещением заготовки в печи при нагреве, отсутствием формообразующей обработки после коррекции деформации перед закалкой или неравномерным охлаждением различных частей заготовки при охлаждении заготовки. Эту деформацию можно проанализировать и решить для конкретных ситуаций. Ниже в основном обсуждаются объемная деформация и деформация формы.
1) Причины закалочной деформации и правила ее изменения.
Объемная деформация, вызванная структурным превращением. Структурное состояние заготовки до закалки, как правило, перлитное, то есть смешанная структура феррита и цементита, а после закалки - мартенситная структура. Различные удельные объемы этих тканей вызовут изменения объема до и после закалки, что приведет к деформации. Однако эта деформация вызывает только пропорциональное расширение и сжатие заготовки, поэтому она не меняет форму заготовки.
Кроме того, чем больше мартенсита в структуре после термообработки или чем выше содержание углерода в мартенсите, тем больше его объемное расширение, а чем больше количество остаточного аустенита, тем меньше объемное расширение. Следовательно, изменением объема можно управлять, контролируя относительное содержание мартенсита и остаточного аустенита во время термообработки. При правильном контроле объем не будет ни расширяться, ни уменьшаться.
(а) Деформация формы, вызванная термическим напряжением. Деформация, вызванная термическим напряжением, возникает в высокотемпературных областях, где стальные детали имеют низкий предел текучести, высокую пластичность, быстрое охлаждение поверхности и наибольшую разницу температур между внутренней и внешней частью заготовки. В это время мгновенным тепловым напряжением является поверхностное растягивающее напряжение и сжимающее напряжение в сердцевине. Поскольку температура ядра в это время высока, то предел текучести значительно ниже, чем у поверхности, поэтому он проявляется в виде деформации под действием разнонаправленных сжимающих напряжений, то есть куб имеет сферическую форму по направлению. Разнообразие. В результате больший размер сжимается, а меньший расширяется. Например, длинный цилиндр укорачивается в направлении длины и расширяется в направлении диаметра.
(б) Деформация формы, вызванная напряжением ткани. Деформация, вызванная напряжением ткани, также происходит в ранний момент, когда напряжение ткани максимально. В это время разница температур в поперечном сечении велика, температура сердцевины выше, она все еще находится в аустенитном состоянии, пластичность хорошая, а предел текучести низкий. Мгновенное напряжение ткани представляет собой поверхностное напряжение сжатия и основное растягивающее напряжение. Поэтому деформация проявляется как удлинение сердечника под действием разнонаправленного растягивающего напряжения. В результате под действием тканевого напряжения большая сторона заготовки удлиняется, а меньшая укорачивается. Например, деформация, вызванная напряжением тканей в длинном цилиндре, представляет собой удлинение в длину и уменьшение в диаметре. В следующей таблице показаны правила закалочной деформации различных типичных стальных деталей.
картина
2) Факторы, влияющие на закалочную деформацию
Факторами, влияющими на закалочную деформацию, являются главным образом химический состав стали, исходная структура, геометрия деталей и процесс термической обработки.
(3) Закалочные трещины
Трещины в деталях возникают преимущественно на поздней стадии закалки и охлаждения, т. е. после того, как мартенситное превращение в основном завершилось или после полного охлаждения, происходит хрупкое разрушение, поскольку растягивающие напряжения в деталях превышают предел прочности стали на разрушение. Трещины обычно перпендикулярны направлению максимальной растягивающей деформации, поэтому различная форма трещин в деталях зависит главным образом от состояния распределения напряжений.
Распространенные типы закалочных трещин: Продольные (осевые) трещины в основном образуются, когда касательное растягивающее напряжение превышает предел прочности материала; Поперечные трещины образуются, когда большое осевое растягивающее напряжение, образующееся на внутренней поверхности детали, превышает предел прочности материала. Трещины; сетчатые трещины образуются под действием двумерных растягивающих напряжений на поверхности; Трещины отслаивания возникают в очень тонком закаленном слое, что может возникнуть при резком изменении напряжения и избыточном растягивающем напряжении, действующем в радиальном направлении. Какая-то трещина.
Продольные трещины еще называют осевыми трещинами. Трещины возникают при максимальном растягивающем напряжении вблизи поверхности детали и имеют определенную глубину к центру. Направление трещин обычно параллельно оси, но направление может измениться и при концентрации напряжений в детали или при наличии внутренних структурных дефектов.
После полной закалки заготовки могут возникнуть продольные трещины. Это связано с большими касательными растягивающими напряжениями на поверхности закаленной заготовки. С увеличением содержания углерода в стали увеличивается склонность к образованию продольных трещин. Низкоуглеродистая сталь имеет небольшой удельный объем мартенсита и сильные термические напряжения. На поверхности существует большое остаточное сжимающее напряжение, поэтому ее нелегко закалить. По мере увеличения содержания углерода поверхностное сжимающее напряжение уменьшается, а структурное напряжение увеличивается. При этом максимальное растягивающее напряжение перемещается в сторону поверхностного слоя. Поэтому высокоуглеродистая сталь склонна к образованию продольных закалочных трещин при перегреве.
Размер деталей напрямую влияет на размер и распределение остаточных напряжений, а склонность к закалочному растрескиванию также различна. Продольные трещины также легко образуются при закалке в опасном диапазоне размеров поперечного сечения. Кроме того, засорение стального сырья часто приводит к появлению продольных трещин. Поскольку большинство стальных деталей изготавливается прокаткой, то незолотые включения, карбиды и т.п. в стали распределяются вдоль направления деформации, вследствие чего сталь становится анизотропной. Например, если инструментальная сталь имеет ленточную структуру, ее прочность на поперечное разрушение после закалки на 30–50% меньше прочности на продольное разрушение. Если в стали существуют такие факторы, как включения, не содержащие золота, которые вызывают концентрацию напряжений, даже если касательное напряжение превышает осевое напряжение, в условиях низкого напряжения легко образуются продольные трещины. По этой причине строгий контроль уровня неметаллических включений и сахара в стали является важным фактором предотвращения закалочных трещин.
Характеристики распределения внутренних напряжений поперечных трещин и дуговых трещин следующие: поверхность подвержена сжимающим напряжениям. После ухода с поверхности на определенное расстояние сжимающее напряжение меняется на большое растягивающее напряжение. Трещина возникает в зоне действия растягивающего напряжения, а затем при внутреннем напряжении распространяется на поверхность детали только в случае его перераспределения или дальнейшего увеличения хрупкости стали.
Поперечные трещины часто возникают в крупных деталях вала, таких как ролики, роторы турбин или другие детали вала. Характеристика трещин заключается в том, что они перпендикулярны направлению оси и разрываются изнутри наружу. Они часто образуются до затвердевания и возникают в результате термического напряжения. Крупные поковки часто имеют металлургические дефекты, такие как поры, включения, ковочные трещины и белые пятна. Эти дефекты служат началом разрушения и разрушения под действием осевого растягивающего напряжения. Дуговые трещины возникают в результате термического напряжения и обычно распространяются в форме дуги в тех частях, где форма детали изменяется. В основном оно возникает внутри заготовки или вблизи острых кромок, канавок и отверстий и распространяется по дуге. Если детали из высокоуглеродистой стали диаметром или толщиной от 80 до 100 мм и более не подвергаются закалке, на поверхности будет наблюдаться сжимающее напряжение, а в центре — растягивающее напряжение. Напряжения, в закаленном слое до не-
