Особенности закалки сталей

В большинстве случаев при закалке желательно получить структуру наивысшей твердости, т.е. мартенсит, при последующем отпуске которого можно понизить твердость и повысить пластичность стали.

В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной и неполной.

Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке, оптимальной температурой нагрева является А_с3+(30-50^оС). Такая температура обеспечивает получение мелкозернистого аустенита, а после охлаждения – мелкокристаллического мартенсита.

Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура – А_с1+(30-50^оС). После закалки заэвтектоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Т. к. кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, то заэвтектоидные стали при неполной закалке имеют более высокую твердость, чем при полной.

Высоколегированные инструментальные стали ледебуритного класса подвергают (для повышения теплостойкости) закалке при очень высоких температурах, близких к эвтектической. При этом происходит распад всех вторичных карбидов, аустенит обогащается не только углеродом, но и легирующими элементами (из карбидов). В результате получается высоколегированный теплостойкий мартенсит.

Если высоколегированные стали используют как износостойкие, температуру закалки понижают, сохраняя часть карбидов нерастворенными.

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения. Для этого изделия очень резко охлаждают, погружая в холодную воду, либо в воду с добавками соли или едкого натра.

Остаточные напряжения, возникающие при резком охлаждении уменьшают с помощью закалки в двух средах (погружением сначала в воду, затем – в масло), или ступенчатой закалки (погружением в жидкость и затем - на воздух.).

Закаливаемость и прокаливаемость сталей – важнейшие характеристики сталей.

Закаливаемость определяется твердостью поверхности закаленной детали и зависит, главным образом, от содержания углерода в стали.

При закалке любых сталей, даже в самых сильных охладителях, поверхность и сердцевина охлаждаются с разной скоростью. Если скорость охлаждения сердцевины при закалке будет меньше υ_крит (критическая скорость закалки), то деталь не прокалится насквозь, т.е. там не образуется мартенсит.

Прокаливаемостью называют способность стали закаливаться на определенную глубину.

Прокаливаемость стали одной и той же марки в зависимости от изменений химического состава, размера зерна аустенита, размера и формы деталей и т.д. колеблется в значительных пределах. В справочниках прокаливаемость характеризуется полосой прокаливаемости.

Условились при оценке прокаливаемости закаленными считать слои, в которых содержится не менее 50% мартенсита (полумартенситная зона). Легирование повышает прокаливаемость.

 

Отпуск закаленных сталей

Нагрев закаленных сталей до температуры, не превышающей А_С1 (рис.9.3) называют отпуском.

При отпуске происходит несколько процессов:

1. Распад аустенита, состоящий в выделении углерода в виде карбидов.

2. Распадается остаточный аустенит.

3. Совершаются карбидное превращение и коагуляция карбидов.

4. Снижаются несовершенства кристаллического строения α-твердого раствора и остаточные напряжения.

Ферритно-карбидную смесь, которая образуется после отпуска мартенситно-аустенитных сталей при температуре 450-650^оС называют сорбитом отпуска; при температуре, близкой к А₁, образуется зернистый перлит (рис. 9.10).

Многие легирующие элементы повышают температуры второго и третьего превращений, снижают скорость коагуляции карбидов и влияют на карбидные превращения при отпуске. Большинство карбидообразующих элементов увеличивают силы межатомной связи в твердом растворе. Вследствие этого стали приобретают повышенную сопротивляемость отпуску (теплостойкость).

В зависимости от температурного интервала принято различать три вида отпуска: низкий при 120-250^оС, средний при 350-450^оС и высокий при 500-680^оС. Продолжительность выдержки устанавливают с таким расчетом, чтобы обеспечить стабильность свойств стали.

Структура отпущенной сталь формируется в период выдержки при температуре отпуска, интенсивность последующего охлаждения не оказывает влияния на структурное состояние стали. Обычно от температуры отпуска детали охлаждают на спокойном воздухе.

 

Свойства отпущенной стали

Характеристики прочности – предел упругости (σ_упр), предел текучести (σ_0,2), временное сопротивление (σ_В) при отпуске до 300^оС увеличиваются, а потом, при повышении температуры, – монотонно уменьшаются. Характеристики пластичности (ψ, δ) возрастают по мере увеличения температуры отпуска. Ударная вязкость (KCU) с повышением температуры увеличивается, но в интервалах 250-350^оС и 500-600^оС заметно снижается (отпускная хрупкость I и II рода). Твердость главным образом снижается при повышении температуры, но это снижение зависит от количества углерода и легирующих элементов. У сталей с добавками Cr, W, Mo и V увеличение твердости наблюдается при 500-560^оС.

Комплексную термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокотемпературного отпуска конструкционных сталей, называют улучшением.

Вопросы для самоконтроля

1. Как называется термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Для ее получения сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твёрдом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении:

2. Как называется термическая обработка в результате которой металлы или сплавы (не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии) приобретают структуру, близкую к равновесной. Она вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений:

3. Как называется термическая обработка, в результате которой в предварительно закалённых сплавах (с полиморфным превращением) происходит фазовое превращение, приближающее их структуру к равновесной:

4. Как называется термическая обработка, в результате которой в предварительно закалённых сплавах (с переменной растворимостью в твердом состоянии) происходит фазовое превращение, приближающее их структуру к равновесной:

5. Что такое диффузионный отжиг?

6. Что такое рекристаллизационный отжиг?

7. Для чего служит нагрев после получения литых изделий (отливок)?

8. Как получить закаленный сплав? Какие свойства он приобретает?

9. Для чего сплав после закалки отпускают?

10. Как при старении закаленного сплава получить метастабильные кристаллы или зоны Гинье-Престона. Чем они отличаются от стабильных кристаллов ПФ?