Способность стали к закалке

Выбор температуры нагрева стали под закалку.

Условия выбора:

1) Образование аустенитной структуры должно пройти полностью за относительно непродолжительное время.

2) Не должно происходить увеличения размеров зерна аустенита вследствие нагрева.

Результаты закалки при разных условиях:

1) Температура выше оптимальной: превращение происходит быстро, увеличиваются размеры кристаллов аустенита, следовательно возможно ухудшение свойств закаленной стали.

2) Температура оптимальная: превращение происходит быстро, результат качественный.

3) Температура ниже оптимальной: Закалка возможна, но недопустимо сильно увеличивается время выдержки.

4) Температура ниже критической: Аустенит образуется частично. Результат – неполная закалка.

Интервал температур определен экспериментально. Для заэвтектоидных сталей температура нагрева на 20–50° C выше линии SK. Причина: углерод как легирующий элемент способствует повышению устойчивости аустенита.

Для заэвтектоидных сталей закалка с температурой выше линии SK приводит к высокому содержанию углерода в аустените. После закалки при низких температурах в структуре находится много остаточного аустенита, как следствие уменьшается твердость. После закалки при температуре на 20–50° C выше линии SK, избыточный углерод остается в виде цементита, содержание углерода в аустените пониженное, аустенит практически полностью превращается в мартенсит. Влияние остаточного аустенита компенсируется высокой прочностью и твердостью вторичного цементита.

Способность стали к закалке.

1) Закаливаемость – способность стали существенно изменять свои свойства после закалки. Зависит от содержания углерода в стали (С > 0,25%).

2) Прокаливаемость – способность стали образовывать мартенсит при низких критических скоростях охлаждения. Чем ниже скорость, тем выше прокаливаемость, тем толще поверхностный слой закаленного металла.

Виды закалки:

1) Простая закалка:

Преимущества: Производится в одной охлажденной среде, простота, низкая стоимость.

Недостатки: Вероятность высоких внутренних напряжений, возможность возникновения трещин.

2) Закалка в двух закалочных средах:

Преимущества: Снижение внутренних напряжений.

Недостатки: Усложнение технологии закалки, высокая стоимость.

3) Закалка в двух закалочных средах с выдержкой:

Преимущества: Низкие внутренние напряжения, не возникают трещин.

Недостатки: Усложнение технологии закалки, высокая стоимость, высокая вероятность брака.

4) Закалка на бейнит:

Бейнит – структура, образованная из аустенита при температуре немного большей начала мартенситного превращения, и представляющая собой промежуточное состояние между аустенитом и мартенситом (ближе к мартенситу).

Преимущества: Оптимальное сочетание механических свойств: прочность, твердость, вязкость.

Недостатки: Сложная технологии закалки, высокая вероятность брака.

3) Отпуск – термическая обработка стали, заключающаяся в нагреве закаленной на мартенсит стали до температуры ниже критической, выдержки при этой температуре и охлаждении на воздухе.

Цель отпуска: Улучшение механических свойств закаленной стали, снижение хрупкости, повышение пластичности, некоторое снижение твердости и прочности.

Закалка + Отпуск = Улучшение свойств стали.

Исходная структура – мартенсит закалки: высокое содержание углерода, сильно искаженная кристаллическая решетка, значительное напряжение в структуре, высокая степень неравновесности.

Виды отпуска:

1) Низкотемпературный отпуск (низкий отпуск):

Исходная структура – мартенсит закалки, температура отпуска t_отп = 150–250° C. В результате отпуска – мартенсит отпуска и e-карбиды.

При повышении температуры активизируется диффузия. Часть атомов углерода покидает кристаллы мартенсита, концентрируется в локальных областях, где образуется карбид железа (e-карбид). Размеры этих карбидов очень небольшие. Результат низкого отпуска: уменьшение степени пересыщенности мартенсита и, как следствие, снижение внутреннего напряжения, немного снижается твердость и прочность. Мартенситная структура в целом сохраняется, снижается склонность стали к хрупкому разрушению.

2) Среднетемпературный отпуск (средний отпуск):

Исходная структура – мартенсит закалки, температура отпуска t_отп = 250–450° C. В результате отпуска – тростит отпуска.

При повышении температуры активизируется диффузия. Диффузия углерода при такой температуре достаточна для превращения мартенсита в перлитную структуру, но не достаточна для перемещения углерода на большие расстояния. В итоге образуется смесь феррита и цементита. Особенности среднего отпуска: маленький размер кристаллов, кристаллы равноостные, мелкодисперсные. Такая структура называется тростит отпуска. Такая структура обладает высокой прочностью и твердостью и достаточным запасом пластичности. Используется для ответственных, сильно нагреваемых деталей (пружины, рессоры).

3) Высокотемпературный отпуск (высокий отпуск):

Исходная структура – мартенсит закалки, температура отпуска t_отп = 450–650° C. В результате отпуска – сорбит отпуска.

Процессы аналогичны среднему отпуску, но увеличивается расстояние, на которое смещаются атомы углерода. Диффузия происходит интенсивнее, чем в случае среднетемпературного отпуска, увеличиваются размеры кристаллов феррита и цементита. Такая структура называется сорбит отпуска. В результате высокого отпуска повышается пластичность, снижается хрупкость, одновременно уменьшается твердость и прочность. Используется для ответственных, сильно нагреваемых деталей под ударными нагрузками.