Внутренние напряжения при закалке

1. Тепловые напряжения.

2. Фазовые напряжения.

3. Изотермическая закалка.

4. Закалочные среды.

При закалке металлов возникают внутренние напряжения. Причины могут быть различными. Неравномерное охлаждение поверхности и сердцевины изделий вызывает напряжения, называемые тепловыми. Из-за изменений объема, а также неоднородности протекания мартенситного превращения по объему изделия возникают напряжения, называемые структурными или фазовыми.

Тепловые напряжения для процесса охлаждения отожженной стали от температуры ниже Ас₁ (727⁰С) характерны. Только фазовые напряжения в этом случае отсутствуют.

При быстром охлаждении распределение температур по сечению изделия неодинаково и изменение объема также неравномерно. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние. Но, этому процессу препятствуют внутренние слои, вследствие чего в поверхностных слоях образуются временные (исчезающие после снятия нагрузки) растягивающие напряжения. Во внутренних слоях одновременно возникают сжимающие напряжения. Даже тогда, когда поверхность охладится и прекратится изменение объема, сердцевина еще будет испытывать тепловое сжатие. Напряжения начнут уменьшаться, и, в какой-либо момент произойдет изменение знака напряжений на поверхности и в сердцевине.

После окончательного охлаждения на поверхности получаются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине – напряжения растяжения (рис. а).

Эпюры остаточных напряжений:

а) тепловые б) структурные в) суммарные

Появление остаточных напряжений – это результат того, что временные напряжения вызывают как упругую, так и пластическую деформацию слоев по сечению.

Отпуск - процесс термической обработки, состоящий в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас₁), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении (обычно на воздухе). Цель отпуска - получение более устойчивого структурного состояния, устранение или уменьшение напряжений, повышение вязкости и пластичности, а также понижение твердости и уменьшение хрупкости закаленной стали (рис. 43). Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет качество закаленной детали. Температура отпуска варьируется в широких пределах - от 150 до 700°С в зависимости от его цели. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 150-250°С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации и т. д.

Высокий отпуск выполняется при температурах 500-650°С. В процессе высокого отпуска мартенсит распадается с образованием структуры сорбита отпуска. Эта структура обеспечивает лучшее сочетание прочности и пластичности стали. В сорбите отпуска цементит приобретает зернистую форму в отличие от сорбита, полученного после нормализации, в котором цементит имеет пластинчатое строение. Благодаря этому существенно повышается ударная вязкость при одинаковой или даже более высокой твердости, по сравнению с нормализованной сталью. Применяется этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, работающих при ударных нагрузках.

Закалку стали с последующим высоким отпуском называют улучшением. Конструкционные стали 35, 45, 40Х в результате улучшения получают более высокие механические свойства.