4.3. Закалка углеродистых сталей. Закалка сталь 3

4.3. Закалка углеродистых сталей

Закалка – это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве до температуры выше критической и последующем быстром охлаждении, при котором образуется неравновесная структура. Существует закалка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превращением.

Закалка с полиморфным превращением – это термическая обработка металлов и сплавов, при которой происходит мартенситное превращение высокотемпературной фазы. Эта закалка применима к тем металлам и сплавам, в которых при охлаждении перестраивается кристаллическая решетка.

Если взять эвтектоидную сталь (0,8 % углерода) с перлитной мягкой структурой и нагреть ее выше точки А1, то перлит превратится в аустенит. При этом в аустените будет растворено все количество углерода, которое имеется в стали, т. е. 0,8 %. Быстрое охлаждение в воде (600 °С/с) препятствует диффузии углерода из аустенита. Кристаллическая решетка аустенита изменится при охлаждении, т. е. гранецентрированная кубическая решетка аустенита перестраивается в объемноцентрированную, но весь имеющийся в стали углерод останется в новой решетке, и это придаст стали высокую твердость и износостойкость.

Температура закалки для большинства сталей определяется положением критических точек А1 и А3. Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме «Железо – цементит». 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. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30–50 °С выше А3(полная закалка). Для заэвтектоидных же сталей закалка от температур выше А1, но ниже Аст, дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры А3, наоборот, ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита, росту зерна аустенита, увеличению возможности возникновения больших закалочных напряжений и обезуглероживанию поверхностного слоя.

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 та среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита и замедленно в интервале температур мартенситного превращения для обеспечения равномерности этого превращения во всех зонах детали и снижения опасности образования трещин. Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей, щелочей, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают три периода:

пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка», которая равномерно и сплошь окружает изделие, пар отнимает тепло не интенсивно, и скорость охлаждения в этот период сравнительно невелика;
пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки. В этот период происходит быстрый отвод тепла, так как на образование пузырьков пара расходуется большое количество тепла, и температура металла быстро снижается;
конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости. Теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью, которая определяется физическими свойствами жидкости (теплоемкостью, вязкостью и теплопроводностью), разностью температур и скоростью циркуляции.

Закалочная жидкость охлаждает тем интенсивнее, чем шире интервал стадии пузырчатого кипения, т. е. чем выше температура перехода от первой стадии охлаждения ко второй и чем ниже температура перехода от второй стадии к третьей.

В практике термической обработки сталей нашли широкое применение различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (рис. 4.8).

Непрерывная закалка (1) – наиболее простой способ закалки. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Способ применяют при закалке несложных изделий из углеродистых и легированных сталей. Закалочной средой для углеродистых сталей диаметром более 5 мм служит вода, менее 5 мм и легированных – масло.

Закалка в двух средах (2) осуществляется в разных температурных интервалах с разной скоростью охлаждения. Вначале деталь охлаждают в интервале температур 750–400 °С в воде, затем переносят в другую охлаждающую среду – масло. Замедленное охлаждение в масле, где происходит мартенситное превращение, приводит к уменьшению возникающих при закалке внутренних напряжений и к опасности появления трещин. Применяется этот способ при закалке инструмента из высокоуглеродистой стали.

Рис. 4.8. Способы охлаждения при закалке сталей: 1 – непрерывная закалка; 2 – закалка в двух средах; 3 – ступенчатая закалка; 4 – изотермическая закалка; 5 – обработка холодом

При ступенчатой закалке (3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем мартенситная точка данной стали. Охлаждение и выдержка в этой среде обеспечивают равномерное распределение температуры закалочной ванны по всему сечению детали. Затем следует окончательное, обычно медленное охлаждение, во время которого и происходит превращение аустенита в мартенсит. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями, однако его применение целесообразно для изделий небольшого размера из углеродистых и низколегированных сталей, закаливающихся в воде.

Изотермическая закалка (4) позволяет получать наиболее хорошее сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке нагретую деталь переносят в ванну с расплавленными солями, имеющую температуру на 50–100 °С выше мартенситной точки МH, выдерживают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и затем охлаждают на воздухе. Во всех предыдущих случаях при закалке происходит образование мартенситной структуры.

При изотермической закалке в детали возникают минимальные напряжения, исключается образование трещин и уменьшается деформация.

Обработка холодом (5) применяется для легированных сталей, у которых температура окончания мартенситного превращения МК значительно ниже 0 °С. Если закаливать эти стали обычным способом, то, наряду с мартенситом, в структуре оказывается значительное количество остаточного аустенита. Остаточный аустенит понижает твердость закаленной стали и может вызвать нестабильность размеров готовых деталей, т. к. в процессе их работы может происходить превращение остаточного аустенита в мартенсит.

Для стабилизации размеров закаленных изделий и повышения их твердости проводится охлаждение до температуры МК, в процессе которого аустенит превращается в мартенсит. Температура МК легированных сталей находится в широких пределах – 40 … – 196 °С. Обработке холодом подвергают быстрорежущие стали, цементованные детали, измерительные инструменты, подшипники и другие особо точные изделия.

Закалка без полиморфного превращения – это термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре. Такая термическая обработка применима к сплавам, у которых одна фаза полностью или частично растворяется в другой.

Рис. 4.9. Диаграмма состояния сплава с переменной растворимостью компонента В в А

Например, в сплаве I (рис. 4.9) при нагреве до температуры t2 β-фаза растворяется в α-фазе. При обратном медленном охлаждении β-фаза выделяется из α-фазы, в которой концентрация компонента В уменьшается в соответствии с линией предельной растворимости аb. Так как составы α- и β-фаз различны, то выделение β-фазы связано с диффузионным перераспределением компонентов. При достаточном быстром охлаждении диффузионное перераспределение, необходимое для зарождения и роста кристаллов β-фазы, не успевает пройти и эта фаза не выделяется. После такой обработки (закалки) сплав состоит из одного пересыщенного α-твердого раствора.

Закалка без полиморфного превращения широко применяется к алюминиевым, магниевым, никелевым, медным и другим сплавам.

Закаливаемость – способность стали повышать твердость в результате закалки. Необходимым условием закаливаемости стали является переохлаждение ее до температуры ниже точки МН. Минимальная скорость охлаждения аустенита, при которой отсутствует диффузия углерода и происходит превращение в мартенсит, называется критической скоростью охлаждения. Эту скорость можно определить на С-образной диаграмме (рис. 4.10). При закалке скорость охлаждения должна быть больше критической (V1). Для обычных углеродистых сталей значение критической скорости охлаждения составляет около 150 °С/с, поэтому на практике необходимо охлаждать сталь при закалке очень быстро, чтобы предупредить распад аустенита на ферритоцементитную смесь.

Рис. 4.10. Определение скорости охлаждения при закалке

Скорость охлаждения на поверхности изделия может быть больше критической, а в центре меньше. В этом случае аустенит в поверхностных слоях превратится в мартенсит, а в центре изделия испытывает перлитное превращение, т. е. деталь не прокалится насквозь. Прокаливаемость – одна из важнейших характеристик стали.

Прокаливаемостью называют способность стали получать закаленный слой на ту или иную глубину с мартенситной или троостомартенситной структурой. Для характеристики прокаливаемости стали часто используют в качестве параметра критический диаметр. Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического образца, который прокаливается насквозь в данной охлаждающей среде.

Критический диаметр увеличивается и соответственно повышается прокаливаемость стали при увеличении охлаждающей способности закалочной среды и при введении в сталь легирующих элементов. Например, углеродистая сталь имеет критический диаметр 8–10 мм. Это значит, что при закалке более крупных изделий из данной стали сердцевина не будет закаленной (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Распределение структуры по глубине цилиндрического образца

При поверхностной закалке, основное назначение которой повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия, на некоторую заданную глубину закаливается только верхний слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.

Поверхностную закалку осуществляют: нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) или газовым пламенем. При закалке первым методом стальное изделие размещают внутри индуктора в форме спирали или петли (рис. 4.12). Ток высокой частоты подводится от генератора к индуктору. Во время прохождения тока через индуктор в поверхностных слоях изделия за счет индукции возникает ток противоположного направления, нагревающий сталь.

Рис. 4.12. Схема нагрева токами высокой частоты: 1 – деталь; 2 – индуктор; 3 – магнитное поле; I – направление тока в индукторе; II – направление тока в детали

В связи с тем, что скорость нагрева ТВЧ значительно выше скорости нагрева в печи, фазовые превращения в стали происходят при более высоких температурах и температуры нагрева под закалку повышаются. Например, при нагреве ТВЧ со скоростью 400 °С/с температура закалки стали 40 с 840–860 °С повышается до 930–980 °С. После прогрева стали ТВЧ до температуры закалки изделие охлаждают водой. При закалке ТВЧ получается высокодисперсная структура кристаллов мартенсита, обеспечивающая более высокую твердость и прочность стали, чем при печном нагреве.

При закалке с нагревом пламенем газокислородной горелки, имеющей температуру 2000–3000 °С, получается очень быстрый нагрев некоторого участка поверхности до температуры закалки, после чего из специального охладителя на этот участок направляется струя воды. Перемещая относительно поверхности горелку и одновременно охладитель, можно закалить большую поверхность крупногабаритных изделий.

Вследствие подвода значительного количества тепла поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.

Толщина закаленного слоя составляет обычно 2–4 мм, а его твердость 50–56 HRC. В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях троостомартенсит. Пламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная, и из-за большой скорости нагрева сохраняет более чистую поверхность детали.

Процесс газопламенной закалки можно легко автоматизировать и включать в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка индукционным нагревом.

studfiles.net

3.2.2. Закалка сталей

Закалка является основным видом упрочняющей термической обработки сталей и чугунов. При закалке детали нагревают выше критических температур, а затем охлаждают со скоростью, превышающей критическую. Под критической скоростью закалки понимают минимальную скорость охлаждения, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Это позволяет получить неравновесную структуру с высокой твердостью, износостойкостью и прочностью. После закалки стали обычно следует отпуск, позволяющий снять термические напряжения и оптимизировать ее свойства.

Температуру закалки (рис. 3.8, а) выбирают в зависимости от температуры критических точек с учетом химического состава сталей. Для углеродистых сталей температура закалки определяется по левой нижней части диаграммы Fe-Fe3C. В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При полной закалке изделия нагревают на 30...50 °С выше линии Ас , а при неполной - на 30...50 °С выше линии Ас^. Перегрев выше указанных температур приводит к ухудшению структуры углеродистых сталей из-за роста аустенитного зерна. Для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, нагрев ведут на 150...250 °С выше критических точек для полного растворения карбидов перед закалкой.

Рис. 3.8. Температурные области нагрева (а), схемы закалки и структуры доэвтектоидной (б) и заэвтектоидиой (в) сталей

Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке {Ас + 30...50 °С), так как при этих температурах обеспечивается полное превращение ферритно-перлитнои структуры в структуру мелкозернистого аустенита, а соответственно, после охлаждения - мелкокристаллического мартенсита (рис. 3.8, б). Неполная закалка с межкритических температур приводит к сохранению в структуре закаленной стали кристаллов доэвтектоидного феррита. Из-за низкой твердости феррита твердость стали после закалки будет неоднородна и существенно понижена, поэтому неполная закалка доэвтек-тоидных сталей применяется редко.

При нагреве заэвтектоидных сталей на 30...50 °С выше температуры точки Д, перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной, следовательно, структура нагретой стали состоит из аустенита и цементита. Ее закалка приведет к превращению аустенита в мартенсит, зерна которого окаймлены частицами нерастворенного цементита (рис. 3.8, в). Такая сталь обладает повышенной твердостью и износостойкостью. Закалка заэвтектоидных сталей от температур выше Лет снижает твердость стали из-за увеличения количества остаточного аустенита и, самое главное, может вызвать перегрев. Поэтому для заэвтектоидных сталей обычно применяется неполная закалка.

Нагрев под закалку осуществляется в печной атмосфере, расплавленных солях или металлах (обычно свинец). На рис. 3.9 приведены схемы печей, применяемых для термической обработки деталей. Это камерные, толкательные, шахтные и конвейерные печи.

Puc. 3.9. Печи для термической обработки деталей: а - камерная; б - толкательная; в - шахтная; г - конвейерная

По источнику теплоты печи подразделяются на электрические и топливные (газовые и редко мазутные).

Скорость и время нагрева деталей зависят от температуры в печи, степени легирования стали, конфигурации деталей, мощности и типа печи, объема садки и способа укладки деталей.

Время выдержки исчисляется с момента достижения деталями заданной температуры и так же, как и время нагрева, зависит от многих факторов, влияющих на структурные превращения, происходящие в стали. Ориентировочные значения длительности нагрева на 1 мм толщины изделия составляют в электропечах 1...2 мин, в пламенных печах - 1, в соляных ваннах - 0,2...0,5, в свинцовой ванне - 0,2...0,15 мин. Время выдержки обычно составляет 15.,.25 % от времени нагрева.

Для предотвращения обезуглероживания и окисления металла рабочее пространство печи заполняют защитной атмосферой, состав которой постоянно контролируется. Обычно используют атмосферы из смеси метана, азота, водорода и оксидов углерода.

Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение, которое должно осуществляться со скоростью, равной или выше критической (V^), чтобы получить структуру мартенсита. Для углеродистых сталей FKp составляет 1400...400 °С/с. Такие скорости охлаждения достигаются погружением закаленных деталей вхолодную воду или в воду с добавками солей. Быстрое охлаждение необходимо только в интервале наименьшей устойчивости аустенита, а при дальнейшем понижении температур, особенно в мартенситном интервале, быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, так как ведет к увеличению остаточных напряжений и образованию трещин.

Нежелательно и слишком медленное охлаждение в мартенситном интервале, так как может произойти частичный отпуск мартенсита и возрасти количество остаточного аустенита из-за его стабилизации, что снижает твердость стали. Наилучшей закалочной средой является та, которая быстро охлаждает в интервале температур 550...650 °С (область температур наименьшей устойчивости аустенита) и медленно - ниже 200...300 °С (область температур мартенситного превращения).

При закалке различают три периода охлаждения:

1) пленочное охлаждение - на поверхности детали образуется паровая рубашка, отделяющая поверхность от всей массы жидкости и обусловливающая сравнительно небольшие скорости охлаждения;

2) пузырьковое кипение - наступает при низких температурах охлаждаемой поверхности, когда паровая пленка разрушается; в результате этого происходит быстрый отвод теплоты, так как на образование пузырьков пара расходуется большое ее количество;

3) конвективный теплообмен - наблюдается при понижении температуры поверхности ниже температуры кипения жидкости; отвод теплоты в этот период происходит с наименьшей скоростью.

В табл. 3.2 приведены наиболее широко применяемые охлаждающие среды и обеспечиваемые ими скорости охлаждения.

При закалке в воде из-за высоких скоростей охлаждения в области температур мартенситного превращения возникают большие структурные напряжения, что создает опасность возникновения трещин. При использовании горячей воды снижается скорость охлаждения в интервале температур 550...650 °С, а скорость охлаждения в области мартенситного превращения остается высокой и вероятность образования трещин не уменьшается. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью обладают 8...12%-ные водные растворы NaCl и NaOH. В интервале температур мартенситного превращения эти растворы охлаждают медленнее, чем вода.

Масло охлаждает значительно медленнее, чем вода, и обеспечивает небольшую скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения. Это объясняется тем, что температура кипения масла (250...300 °С) повышает температуру перехода от стадии пузырчатого кипения к конвективному теплообмену и, как следствие, обеспечивает уменьшение скорости охлаждения в области температур мартенситного превращения.

Охлаждающие среды

Таблица 3.2

Охлаждающая среда	Температура охлаждающей	Скорость охлаждения в интервале температур, °С/с
	среды, °С	650...550 °С	300...320 °С
Вода	18	600	270
	25	500	270
	50	100	270
	.75	30	270
10%-ный водный раствор:
NaCl	20	1200.	300
NaOH	20	1100	300
5%-ный раствор марганцовокислого калия	20	450	10
Масло минеральное	20	120	40...60

Закалку углеродистых и некоторых низколегированных сталей проводят в воде и водных растворах NaCl и NaOH. Для легированных сталей применяют минеральное масло.

В практике термической обработки сталей наряду с непрерывной закалкой широкое применение находят закалка в двух средах и ступенчатая закалка. Закалка в двух средах состоит в прерывистом охлаждении изделия - сначала в воде до температуры 300 °С, а затем в масле или на воздухе до 20 °С. Такой режим закалки обеспечивает быстрое прохождение температурного интервала минимальной устойчивости аустенита при охлаждении в воде, а перенос изделия на воздух или в масло уменьшает внутренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаждении.

Ступенчатая закалка включает охлаждение нагретого изделия сначала в расплавленных солях, имеющих температуру на 180...250 °С выше МИ (см. рис. 3.6, б), непродолжительную выдержку для выравнивания температуры по всему сечению изделия, а затем охлаждение на воздухе. Образование мартенсита происходит в этом случае при охлаждении на воздухе. При таком методе закалки получение мартенсита возможно в легированных сталях с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в интервале температур перлитного превращения и в изделиях небольшого сечения (10... 12 мм) из низко- и среднеуглеродистых сталей. После такой закалки уровень внутренних напряжений и склонность к образованию трещин меньше.

Закалка с обработкой холодом предусматривает продолжение охлаждения закаленной стали до температур ниже нуля. В структуре закаленных сталей, у которых точка Мк лежит в области минусовых температур, всегда присутствует значительное количество остаточного аустенита (см. рис. 3.6, б). Обработку холодом проводят для уменьшения его количества. Это особенно важно для сталей, которые используются для изготовления мерительного инструмента, пружин и деталей подшипников качения. Аустенит в результате самопроизвольного превращения в мартенсит понижает твердость, износостойкость, нередко приводит к изменению размеров деталей, работающих при низких температурах.

Обработку холодом выполняют сразу после закалки, а затем проводят низкий отпуск. Выдержка в течение 3...6 ч стабилизирует аустенит и уменьшает эффект обработки холодом.

studfiles.net

Закалка - сталь - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Закалка - сталь

Cтраница 3

Закалка стали с последующим высоким отпуском ( температура нагрева 500 - 650 С) называется улучшением и является наиболее эффективным видом термической обработки для конструкционных1 сталей. [31]

Закалка стали при 1050 - 1100 С ( при этой температуре углерод и хром находятся в твердом растворе и такое состояние фиксируется быстрым охлаждением) или стабилизирующий отжиг при температуре 850 - 950 С в течение двух и более часов. При этом режиме достаточно полно завершаются процессы выделения карбидов и выравнивание содержания хрома в твердом растворе; склонность стали к МКК уменьшается. [32]

Закалка стали достигается нагреванием ее до определенной температуры и быстрым охлаждением. [33]

Закалка стали на мартенсит - это первый этап термической обработки конструкционной стали. Низкая пластичность, значительные внутренние напряжения не допускают применения конструкционной стали только в закаленном состоянии. Необходим отпуск, повышающий пластичность и вязкость и уменьшающий внутренние напряжения. [34]

Закалка сталей с высоким содержанием марганца или никеля, например, нержавеющей хромоникелевой стали с 0 1 % С, 18 / о Сг и 8 % Ni позволяет сохранить аустенитную структуру при комнатной температуре ( см. фиг. В сталях с повышенным содержанием никеля и более высоким содержанием углерода, например, многих жаропрочных сталях, наряду с аустенитом присутствуют также карбиды как в отожженном, так и в равновесном состоянии. [35]

Закалка стали в масле приводит к уменьшению деформаций инструмента и к уменьшению внутренних напряжений с получением при этом высокой твердости. [36]

Закалка стали значительно повышает ее твердость, предел текучести и предел прочности, но сильно снижает пластичность. Модуль упругости стали закалка практически не меняет. Если нужна высокая поверхностная твердость с сохранением других свойств стали, используют поверхностную закалку токами высокой частоты. Для малоуглеродистых сталей с этой целью применяют цементацию - увеличение в поверхностном слое углерода - с последующей закалкой. При этом закаливается только науглероженный поверхностный слой, а основная часть материала сохраняет свойства малоуглеродистой стали. [38]

Закалка стали применяется для получения после соответствующего отпуска требуемых механических и физических свойств, для подготовки к последующей термической обработке ( например, цементации), для получения однородной структуры и для повышения антикоррозионных свойств нержавеющей стали. [40]

Закалка стали является сложной и ответственной операцией. Нагрев и охлаждение деталей производятся по строгим температурным режимам, устанавливаемым для данной марки стали исходя из назначения детали. [41]

Закалка сталей марок 9ХС и ХВГ производится в масле при температуре 830 - 850 С; марок Х12М - при 980 - 1000 С. Последующий отпуск производится в масле при 260 - 300 С. [43]

Закалка сталей X и ХГ осуществляется с 840 - 850 С в масле. Более высокий нагрев для закалки вызывает увеличение количества остаточного аустенита. [44]

Закалка интерметаллидных сталей и сплавов приводит к гомогенизации в них твердого раствора и росту зерна. При температуре 1150 С значительное количество карбидов переходит в твердый раствор. Повышение температуры закалки до 1200 С вызывает дальнейшее растворение основной массы карбидов. Исключением являются карбиды и нитриды титана, обладающие высокой теплоустойчивостью. [45]

Страницы: 1 2 3 4

www.ngpedia.ru

5.2. Закалка сталей

ЗАКАЛКОЙ называется фиксация при комнатной температуре высокотемпературного состояния сплава. Основная цель закалки – получение высокой твердости, прочности и износостойкости. Для достижения этой цели стали нагревают до температур на 30 – 50ОС выше линии GSK (рис. 5.1), выдерживают определенное время при этой температуре и затем быстро охлаждают.

Процессы, происходящие в сплаве на различных стадиях закалки, можно рассмотреть на примере эвтектоидной стали У8. В исходном отожженном состоянии эта сталь имеет структуру перлита (эвтектоидная смесь феррита и цементита). При достижении температуры А1 (727 0С) произойдет полиморфное превращение, т.е. перестройка кристаллической решетки феррита (ОЦК) в решетку аустенита (ГЦК), вследствие чего растворимость углерода резко возрастает. В процессе выдержки весь цементит растворится в аустените и концентрация углерода в нем достигнет содержания углерода в стали, т.е. 0,8 %.

Следующий этап – охлаждение стали из аустенитной области до комнатной температуры – является определяющим при закалке. При охлаждении стали ниже температуры А1 происходит обратное полиморфное превращение, т.е. решетка аустенита (ГЦК) перестраивается в решетку феррита (ОЦК) и при этом растворимость углерода уменьшается в 40 раз (с 0,8 до 0,02). Если охлаждение происходит медленно, то “лишний” углерод успевает выйти из решетки феррита и образовать цементит. В результате формируется структура феррито-цементитной смеси. Если же охлаждение производится быстро, то после полиморфного превращения углерод остается вследствие подавления диффузионных процессов в решетке ОЦК. Образуется пересыщенный твердый раствор углерода в  - железе, который называется МАРТЕНСИ-

ТОМ. Перенасыщенность мартенсита углеродом создает в его решетке большие внутренние напряжения, которые приводят к искажению ее формы и превращению из кубической в тетрагональную. Уровень внутренних напряжений оценивается степенью тетрагональности, т.е. отношением длины ребра с параллелепипеда к ребру а.

Чем выше степень тетрагональности решетки мартенсита, тем выше его твердость. Степень тетрагональности, в свою очередь, будет зависеть от содержания углерода в стали.

Получить структуру мартенсита (или закалить сталь) можно только в том случае, если обеспечить скорость охлаждения больше или равную критической (Vкр) (рис 5.3),чтобы не успели пройти поцессы распада аустенита в верхнем районе температур.

КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ закалки или минимальная скорость охлаждения (Vкр) – это скорость, при которой аустенит переходит в мартенсит. Если же скорости охлаждения будут меньше Vкр , при распаде аустенита получим феррито-цементитные смеси различной дисперсности ТРООСТИТ, СОРБИТ И ПЕРЛИТ.

Рис 5.3 Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали со схемами микроструктур и их примерной твердостью: I – кривая начала диффузионного распада аустенита; II – кривая конца диффузионного распада аустенита; Мн – линия начала мартенситного превращения; Vкр – критическая скорость охлаждения.

Перлит (грубодисперсионная смесь феррита и цементита) может быть получен при очень медленных скоростях охлаждения (на рис. 5.3 это скорость V1). Такие скорости охлаждения характерны для отжига (охлаждение вместе с печью).

При охлаждении углеродистых сталей на воздухе (вид термообработки – нормализация) со скоростями V2 и V3 получаем структуры сорбита и троостита. Сорбит – механическая смесь феррита и цементита средней дисперсности. Троостит – мелкодисперсная феррито-цементитная смесь. Свойства сорбита и троостита занимают промежуточное положение между свойствами перлита (П) и мартенсита (М).

Практической целью закалки является получение максимальной прочности и твердости стали. Достигается эта цель при следующих режимах: нагрев стали на 30 – 50ОС выше линии GSK, выдержка при этой температуре и охлаждение со скоростью  Vкр.

По температуре нагрева различают полную и неполную закалку. Полная закалка осуществляется из аустенитной области. После охлаждения с критической скоростью закалки у всех углеродистых сталей образуется структура мартенсита. Полной закалке подвергают изделия из доэвтектоидных сталей, при этом исключается образование мягких ферритных включений.

Неполная закалка – закалка из промежуточных, двухфазных областей (А + Ф), (А+ЦII). В результате охлаждения с критической скоростью в доэвтек

тоидных сталях образуется структура Ф + М, а в заэвтектоидных – М + ЦII. Неполной закалке подвергают инструмент из заэвтектоидной стали, поскольку наличие включений вторичного цементита увеличивает твердость закаленного инструмента, т.к. цементит по твердости превосходит мартенсит.

studfiles.net

5.2. Закалка сталей

studfiles.net