Внутренние напряжения в закаленной стали

Внутренние напряжения при закалке стали возникают вследствие неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины изделия (эти напряжения называют тепловыми или термическими), увеличения объема и неоднородности протека­ния мартенситного превра­щения по объему изделия. Напряжения, вызываемые этим превращением, назы­вают структурными или фазовыми.

Неодинаковое распре­деление температур по сечению изделия при быстром охлаждении сопровождается и неравномерным изменением объема. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние. Однако сжатию поверхностных слоев препятствуют внутренние слои. Это приводит к тому, что в поверхност­ных слоях образуются временные (т.е. исчезающие после снятия нагрузки) растягивающие, а во внутренних слоях - сжимающие напряжения.

После окончательного охлаждения на поверхности получаются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине - напряжения растяжения (рис. 90, а). Появление остаточных напряжений является результатом того, что временные напряжения вызывают не только упругую, но и в той или иной степени неодно­временную и неодинаковую пластическую деформацию слоев по сечению.

Рис. 90. Схема эпюры остаточных напряжений:

а - тепловые; б - структурные; в - суммарные

Рассмотрим теперь условия образования структурных напря­жений при полной прокаливаемости. При этом тепловые напряже­ния условно учитываться не будут.

По достижении при закалке температур ниже точки M_н мартенсит в первую очередь образуется на поверхности, где точка М_н будет достигнута раньше, чем в сердцевине.

Так как превращение аустенит ® мартенсит сопровождается увеличением объема, то это приводит к образованию на поверхности временных сжи­мающих напряжений, а во внутренних слоях - растягивающих напряжений.

По мере развития превращения знак напряжений на поверхности и в сердцевине меняется.

Структурные напряжения относительно тепловых изменяются в обратном порядке. В результате мартенситного превращения на поверхности образуются остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине - напряжения сжатия (рис. 90, б). Эти остаточные напряжения, как и тепловые, возникают в результате появ­ления под действием временных напряжений не только упругой, но и неодинаковой по сечению остаточной деформации.

При закалке стали одновременно возникают как тепловые, так и структурные напряжения, которые суммируют (рис. 90, в). В данной схеме тепловые напряжения превышали структурные, поэтому на поверхности образовались напряжения сжатия. Од­нако в зависимости от соотношения между тепловыми и структур­ными напряжениями могут получиться различные эпюры суммар­ных напряжений, а в поверхностных слоях напряжения могут иметь разный знак и различную величину. Во многих случаях величина фазовых напряжений больше, чем величина тепловых.

Остаточные напряжения, полученные после закалки, не ха­рактеризуют напряжения, возникающие при охлаждении (на­греве) стали. Остаточные напряжения всегда меньше временных напряжений, образующихся в процессе охлаждения.

Если величина напряжений превышает сопротивление отрыву и металл мало пластичен, то напряжения не могут быть умень­шены пластической деформацией. Это вызывает образование тре­щин. Наиболее опасны при этом растягивающие напряжения на поверхности, которые способствуют образованию трещин и сни­жают предел выносливости стали.

Растягивающие напряжения возникают в основном вследствие структурных напряжений, которые нужно стремиться уменьшить. Структурные напряжения тем больше, чем выше температура за­калки и скорость охлаждения в интервале температур М_н и М_к. Для снижения структурных напряжений нужно замедлять ско­рость охлаждения ниже точки М_н и избегать перегрева стали.

Дата добавления: 2014-01-05