Характер закалочной среды

Коробление- искажение формы (геометрии) металлоизделия вследствие действия внутренних напряжений, вызываемых неравномерным нагревом или охлаждением, деформацией или фазовым превращением металла.

В практике на металлоизделия действуют внешние и внутренние силы. Внешние силы подразделяют: на объемные (действуют на все материальные точки тела пропорционально их массе – силы тяжести, силы инерции и др., которые при анализе напряженно-деформированного состояния не учитываются) и поверхностные (которые прикладываются к поверхности тела и могут быть распределенными и сосредоточенными). При нахождении тела в равновесии внешние силы уравновешиваются и система (тело) считается жесткой. При приложении к телу внешних сил в нем появляются внутренние силы, которые уравновешивают действие внешних сил.

Предел отношения внутренних сил, действующих на элементарную площадку в рассматриваемой точке тела, к ее площади при неограниченном уменьшении последней называют напряжением. Часто дают такое определение, если на бесконечно малую площадку ds действует дифференциал силы dp, то предел отношения s = dp\ ds называют напряжением.

Напряжения, действующие на изделие, вызывают в металле упругую и пластическую деформацию. Деформация, которая исчезает после снятия внешней нагрузки на изделие, называется упругой, а деформация, которая остается в металле после снятия нагрузки называется пластической. Упругая и пластическая деформация осуществляются без разрушения деформируемого тела. В условиях пластической деформации металла общая (полная) деформация содержит как пластическую составляющую, так и упругую, которая исчезает после снятия внешней нагрузки. Момент перехода металла в пластическое состояние характеризуется пределом текучести, а начало разрушения – временным сопротивлением (пределом прочности).

Под релаксацией напряжений в широком смысле понимают совокупность процессов, приводящих к понижению упругой энергии системы независимо от того, протекают они длительно или являются обычной пластической деформацией.

Остаточными напряжениями называют напряжения, которые существуют в замкнутой системе при отсутствии действия внешних сил и моментов. Величина и распределение их таковы, что совокупность всех результирующих сил и моментов, вызванных этими напряжениями, равна нулю и система находится в состоянии механического равновесия. Напряжение является величиной векторной и совпадает с направлением внутренних сил, действующих на элементарную площадку.

Действительное напряженное состояние элемента объема изделия характеризуется группой действующих на него векторов, которые могут быть сведены к трем главным векторам, расположенным в трех взаимно перпендикулярных плоскостях - s_Т - тангенциальные напряжения; s_ОС - осевые; s_R- радиальные (рис.1).

sТ-тангенциальные напряжения; sОС-осевые;sR-радиальные; Рис.1 - Схема направления главных векторов напряжений в элементарном объеме цилиндра (Г.Ф. Головин)

При объемном напряженном состоянии частицу металла представляют в виде элементарного параллелипипеда, на гранях которого действуют напряжения (рис.1). Принято считать, что напряжения, действующие на объект, условно разделены на нормальные (составляющая, вектор которой направлен перпендикулярно плоскости элементарной площадке) и касательные (вектор лежит в плоскости площадки).

Нормальные и касательные напряжения зависят от угла наклона элементарной площадки к сечению, перпендикулярному действию приложенной нагрузки. При угле наклона площадки к сечению a=45⁰ касательные напряжения максимальны, а нормальные напряжения достигают максимума при a=0⁰.

Напряжения растяжения считаются условно положительными, а напряжения сжатия – отрицательными.

Упругую деформацию могут вызвать как нормальные, так и касательные напряжения. Пластическую деформацию вызывают только касательные напряжения, которые достигают некоторой критической величины. Касательные напряжения могут вызывать два основных вида деформации: трансляционное скольжение (скольжение) или двойникование.

Уровень и знак остаточных напряжений зависит от многих факторов. Так, например, при закалке в воде стального изделия из стали с концентрацией углерода 0,3% остаточные напряжения могут достигать 800 МПа (при диаметре прутка s_В ~600-750МПа; s_0,2~400МПа – т.е. остаточные напряжения превышают критический уровень). Переход при закалке от воды к маслу уменьшает остаточные напряжения в 4-6 раз; от воды к воздуху – до 10 раз; от масла к горячим средам – в 3-4 раза. Напряжения после упрочняющей термической обработки по сравнению с остаточными напряжениями после отливки деталей значительно выше, например, для деталей из силумина разница составляет 5-10 раз. Для того же материала напряжения после закалки превосходят напряжения, возникающие вследствие наклепа после обработки резанием, в 20-25 раз.

При этом следует отметить, что возникновение остаточных напряжений в термически обрабатываемых изделиях определяется главным образом перепадом температур между верхним и центральным слоями металла сплошного изделия и фазовыми переходами, а точнее разностью удельных объемов металла этих слоев.

При механической обработке металлоизделий могут возникать также остаточные напряжения различного знака, так, например, при точении поверхности детали могут возникать растягивающие напряжения до 70 МПа, которые распространяются на глубину 50…200 мкм.

Огромная масса металлоконструкций различного назначения производится с использованием различных видов сварки, в процессе которой металл в зоне сварного шва подвергается тепловому воздействию от температуры плавления до температур низкого отпуска. В процессе кристаллизации жидкого металла сварного шва и охлаждения металла околошовной зоны возникают усадочные, термические и структурные напряжения, уровень которых может быть различным, в т.ч. и превышать предел текучести с возникновением дефектов металла.

К основным причинам, способным вызвать самопроизвольное деформирование и даже разрушение сварных изделий относятся:

-усадочные напряжения в сварном шве при кристаллизации металла;

-термические напряжения из-за температурного градиента, возникающего в процессе нагрева металла изделия в околошовной зоне;

-фазовые превращения, связанные с образованием из аустенита структур его распада и превращения метастабильных составляющих металла в околошовной зоне;

-старение неустойчивых структур;

-релаксация остаточных сварочных напряжений;

-ползучесть материала сварного соединения под действием остаточных напряжений;

-наличие водорода в металле сварного шва, которые перераспределяется также и в основной металл околошовной зоны, испытывающий воздействие остаточных сварочных напряжений.

Современные представления о распределении собственных напряжений в сварных соединениях сложились на основе экспериментальных и расчетных данных. Поля этих напряжений крайне многообразны и зависят от многих факторов. Наиболее стабильный характер имеют остаточные напряжения вдоль швов (продольные). В малоуглеродистых сталях максимальные растягивающие напряжения (продольные) наблюдаются в металле шва и вблизи него (могут достигать уровня предела текучести). В поперечном направлении шва остаточные напряжения существенно (в 3-4 раза) меньше по сравнению с продольными. Максимальные значения поперечной усадки металла достигаются на расстоянии 2/3 длины свариваемых образцов от начала сварного шва. Считается, что наибольший уровень напряжений возникает в объемах металла, удаленных от зоны сплавления примерно на 20мм.

Валик сварного шва можно рассматривать как стержень, защемленный между двумя жесткими неподвижными плитами. Экспериментально установлено, что при стеснении общей деформации металла температурное напряжение в стальном стержне на уровне предела текучести достигается уже при нагреве приблизительно 100⁰С. При нагреве металла свыше 300⁰ уровень температурных напряжений в стержне уменьшается из-за снижения сопротивления металла пластической деформации.

Известно, что в самом простом случае максимальные напряжения при нагреве можно представить в виде зависимости:

s_mас.=gEaÑT:

где: g - коэффициент, учитывающий форму (пластина, цилиндр). Во всех случаях он £1: E -модуль Юнга: a-коэффициент термического расширения: ÑT-температурный перепад.

Опытным путем установлено, что при малом температурном перепаде (ÑT<3 К) термоупругие напряжения настолько малы, что полная деформация тела практически состоит из одной температурной составляющей.

При ÑT³10 К может проявляться пластическая деформация, при которой s>t_кр.-критического напряжения сдвига.

В случае ÑT>100 К возникающие напряжения уже столь велики, что могут вызвать разрушение кристалла. Эти понятия относятся к статической термической нагрузке.

Изучением внутренних или остаточных напряжений в металлах и сплавах впервые стал заниматься русский ученый Н.В. Калакуцкий (1887г). После него многие русские ученые развивали и совершенствовали это направление.

Глава 2. Классификация остаточных напряжений в металле изделий.

Остаточные напряжения в металле изделий классифицируют по различнымпризнакам, но чаще по протяженности силового поля и по физической сущности. В 1931г академиком Н.Н. Давиденковым была предложена классификация внутренних напряжений, которая используется до настоящего времени, которая была уточнена Б.М.Ровинским (в части напряжений второго рода). Классификация E. Orowan, предложенная им в Лондонском институте металлов, была менее точно и полной по сравнению с классификацией Давиденкова Н.Н.

Эти напряжения различаются величиной области, внутри которой они являются гомогенными в отношении постоянства величин и направления. В зависимости от того, соответствуют ли эти области макроскопическим, микроскопическим или атомарным размерам, внутренние напряжения соответсвенно называются внутренними напряжениями первого, второго или третьего рода (по Давиденкову Н.Н.).

По признаку протяженности силового поля различают остаточные (закалочные) напряжения трех родов:

- 1-го рода – зональные (макронапряжения – в последние десятилетия вместо термина «макронапряжения» принято более точное определение – микродеформации решетки), уравновешивающиеся отдельными зонами сечения и между разными частями деталей, имеют ориентацию, связанную с формой детали. Величина напряжений 1-го рода зависит от плотности дислокаций, а знак – от характера распределения дислокаций одного знака по отношению к поверхности детали (преобладание дислокаций положительного знака на параллельных плоскостях скольжения в поверхностных слоях металла приводит к возникновению сжимающих остаточных напряжений). На рентгенограммах они проявляются в смещении интерференционных максимумов, при этом такое смещение может быть устранено соответствующей разрезкой металлоизделия. Принято считать, что сжимающие имеют знак минус («-»), а растягивающие знак плюс («+»);

- 2-го рода (микронапряжения) - уравновешиваются в объемах, соизмеримых с размером зерна или группой зерен металла. Основными причинами их возникновения могут быть фазовые (распад остаточного аустенита при отпуске) или структурные (распад мартенсита при отпуске) превращения, сопровождающиеся изменением объема отдельных зерен, анизотропия механических свойств отдельных зерен, границы зерен и фрагментация зерен при пластической деформации, а также изменения температуры металла, имеющего различные компоненты с различными коэффициентами линейного расширения. Рентгенографически такие напряжения проявляются в неоднородности изменения межплоскостного расстояния и в размытии интерференционных максимумов, а также в их смещении, которое не может быть устранено разрезкой изделия;

- 3-го рода (субмикроскопические) - уравновешиваются внутри объема металла, порядка нескольких элементарных ячеек кристаллической решетки. Скопления большого количества дислокаций в граничных слоях вызывает искажения кристаллической решетки и возникновение напряжений 3-го рода. При этом граничный слой является зоной силового взаимодействия между отдельными зернами, что создает поле микронапряжений, охватывающих всю поверхность зерна. Искажения кристаллической решетки вызывают и внедренные атомы и их скопления, частицы вторичной фазы (карбиды, нитриды, и др.), неметаллические включения. В основе определения напряжений Ш рода рентгеноструктурным анализом лежит эффект уменьшения интегральной интенсивности линий, особенно высшего порядка отражения, и усиления интенсивности фона рентгенограммы.

Отличие макро- и микронапряжений заключается не только в величине масштаба их проявления, а в том, что макронапряжения могут возникать в любой сплошной однородной изотропной среде, а микронапряжения в таком материале существовать не могут, т.к. они могут возникать вследствие существенной неоднородности кристаллического материала и его свойств.

На практике чаще всего рассматриваются напряжения, возникающие и уравновешивающиеся (релаксирующие) в объеме всего тела или отдельных его макрочастей. Такие напряжения называются зональными или напряжениями 1 рода (в табл.3 приведены данные по влиянию их на деформацию образцов Френча).

При изучении процессов структурообразования на уровнях микро- и субструктуры рассматриваются напряжения 2 и 3 рода (см.табл.4).

По физической сущности напряжения, которые возникают при нагреве (охлаждении), в литературе подразделены на:

-временные термоупругие напряжения;

-структурные напряжения;

-остаточные температурные и структурные напряжения;

-напряжения при упругопластическом состоянии металла.

Временные термоупругие напряжения образуются при нагреве (охлаждении) упругих металлоизделий с появлением в них температурного градиента (перепада температур по сечению).

Остаточные напряжения различают по происхождению:

-усадочные (в отливках);

-тепловые;

-структурные;

-напряжения, возникающие в результате наклепа;

-возникающие в связи с химическим или электрохимическим воздействием на поверхность изделий (например, при химическом или электрохимическом образовании формы, электрополировании, антикоррозионной обработке и др.).

По длительности существования внутренние напряжения в металлоизделиях подразделяют на временные и остаточные.

На разных стадиях процесса термической обработки детали могут возникать напряжения, которые исчезают на определенной стадии процесса или по его окончании. Такие напряжения называют временными. В том случае, если внутренние напряжения возникают в процессе термообработки и остаются в металле изделия после его окончания, их знак и величина оказываются стабильными и поэтому их называют остаточными внутренними напряжениями.

При термической обработке в процессе нагрева и охлаждения металла меняется плотность металла, а в случае наличия фазовых и структурных превращений изменяется плотность и объем металла.

Нагрев приводит к непрерывному расширению металла и уменьшению его плотности. Фазовые превращения 1рода скачкообразно изменяют объем металлов и сплавов, при фазовых превращениях П рода объем изменяется постепенно. Известно, что кристаллические решетки металлов твердых растворов и промежуточных фаз характеризуются координационным числом, равным числу ближайших соседей данного атома (для ГЦК И ГПУ -12, для ОЦК -8). Отношение объема, занятого ионами в грамме-атоме, к атомному объему характеризует коэффициент заполнения кристаллической решетки ионами, который при сферической симметрии ионов равен: для ГПУ-0,74; ГЦК-0,74; ОЦК-0,68.

При нагреве железоуглеродистых сплавов до температур А_С1 происходит увеличение объема на ~4% за счет теплового расширения.

Изменение степени компактности при фазовых превращениях вызывает изменение (уменьшение) объема металла. Превращение a®g в железе в точке А₃ сопровождается увеличением компактности решетки на 9%, на эту же величину должен по логике уменьшиться и удельный объем металла, но только в том случае, если размер иона в результате фазового превращения не изменится. При аллотропических превращениях изменяются силы связи в кристаллической решетке, что сопровождается изменением атомного объема. При дилатометрическом измерении удлинения образца металла в результате нагрева выше точки А_С3 (a®g) соответствует сжатию на 0,8%. Поэтому в действительности на практике наблюдаемое изменение объема значительно меньше, всего 1-1,5%, что объясняется возрастанием координационного числа, при котором происходит возрастание за счет увеличения размера ионов в кристаллической решетке. Это компенсирует увеличение объема, связанное с увеличением координационного числа. Величина объемного эффекта зависит от скорости нагрева (охлаждения), взаимного расположения кристаллов, количества газов, растворенных в металле и др. факторов. При нагреве выше точки А_С4 (a®d превращение) увеличение объема составляет +0,26%. В точке плавления металла удельный объем железа увеличивается на 1%.

Переход металла из одного полиморфного состояния в другое влечет за собой изменение параметров кристаллической решетки и изменение объема.

Структурные напряжения возникают за счет разницы в удельных объемах между переохлажденным аустенитом и структурами, которые из него образуются (феррит, перлит, сорбит, бейнит или мартенсит).

Удельные объемы структурных составляющих стали возможно рассчитать по формулам:

Аустенит: (V_γ) _{t1, Cp} = 0,12282+8,56*10^-6 t +2,15*10^-3 C_p;

Феррит: (V_α) _t = 0,12708+5,528*10^-6 t;

Мартенсит: (V_M) _{t, Cp} = 0,12708+4,45*10^-6 t +2,79*10^-3 C_p;

Цементит: (V_k) _t = 0,13023+4,88*10^-6 t;

Известно, что плотность металла зависит от его микроструктуры. Плотность металла возрастает для структур в таком порядке – мартенсит (aFe)+ Fe₃С ® перлит ®сорбит® троостит ® аустенит. Мартенсит обладает наименьшей плотностью, а аустенит – наибольшей. Введение легирующих элементов в железо приводит к изменению плотности и объема металла (таблица 1,2). Закалка с полиморфным g®a превращением приводит к увеличению объема металла из-за уменьшения плотности и коэффициента заполняемости кристаллической решетки металла. При отпуске закаленной стали, имеющей структуру мартенсита, происходят структурные превращения, которые приводят к сжатию стали и увеличению плотности (при g®a превращении происходит расширение стали).

Таблица 1. Изменение плотности железа на 1% (по массе) примеси (Б.Лившиц)

Элемент	Изменение плотности, Ñd	Элемент	Изменение плотности, Ñd
C	-0,040	Ni	+0,004
		Cr	+0,001
P	-0,117	W	+0,095
S	-0,164	Si	-0,073
Cu	+0,011	Al	+0,120
Mn	-0,016	As	+0,100

В таблице 2 приведены данные по увеличение объема железа при закалке в зависимости от концентрации легирующих элементов – углерода и марганца.

Таблица 2. Приращение объема железа в зависимости от концентрации C и Mn (по отношению к отожженной стали)

Процентное увеличение объема при закалке от 800^0С	C	Mn
0,58	0,90	0,46
0,70	0,39	0,75
0,83	0,28	0,99

При пластической деформации повышается плотность литых железоуглеродистых сплавов за счет заполнения пор и раковин. Холодная пластическая деформация (до ~10%) приводит к некоторому уплотнению металла. Увеличение степени холодной деформации может приводить к увеличению дефектности решетки, снижению компактности пространственной решетки. Последующий возврат и рекристаллизация повышает плотность деформированного металла практически до исходного уровня.

Глава 3. Факторы, способствующие возникновению и распределению остаточных напряжений в деталях при термообработке.

Термическая обработка связана с процессами нагрева и охлаждения металла, при которых существенно меняются его свойства (прежде всего прочностные) и возникают факторы, которые способны вызвать деформацию и\или коробление изделия.

К основным из них относятся:

1 -состав и неоднородность химического состава металла по сечению, соответственно анизотропия его структуры и свойств, что обусловливает также и неодновременное протекание структурных и фазовых превращений при термообработке, прокаливаемость стали, склонность к росту зерна стали;

2 -температурный градиент по сечению детали при различных скоростях при нагреве или охлаждении (т.е. возникновение разницы температуры между различными участками детали, что приводит к различным объемным изменениям металла), зависит от скорости нагрева (охлаждения), теплопроводности металла и свойств охлаждающей среды;

3 -характер закалочной среды;

4 -равномерность нагрева и охлаждения изделия;

5 -вес и геометрия термообрабатываемого изделия;

6 - температура нагрева под режим термообработки;

7 -способ нагрева металла до заданной температуры;

8 -способ закалочного охлаждения детали и температура конца принудительного охлаждения изделия;

9 -исходная структура металла детали перед закалкой;

О влиянии указанных факторов на уровень коробления и деформации известно следующее:

1.Химический состав:

а) повышение концентрации углерода на 0,1% вызывает увеличение объема при сквозной мартенситной прокаливаемости примерно на 0,1%;

б) легированные стали с более низкой теплопроводностью по сравнению с низколегированными и углеродистыми сталями нельзя подвергать ускоренному нагреву и охлаждению из-за увеличения термического градиента по сечению и уровня термических и структурных напряжений;

в) низкая устойчивость аустенита к распаду при переохлаждении предопределяет быстрое охлаждения изделия при закалке на мартенсит, соответственно увеличение термического градиента и уровня напряжений в металле. Кроме этого для таких сталей сложно достигнуть критической скорости охлаждения в случае закалки массивных деталей;

г) стали с низкой мартенситной прокаливаемостью склонны к большему короблению;

д) стали, склонные к росту действительного аустенитного зерна при нагреве (например, марганцовистые), дают большую деформацию и коробление при закалке;

е) при наличии сильной карбидной неоднородности в металле заготовки при закалке происходит увеличение размеров детали вдоль направления проката и уменьшение размеров в направлении поперек прокатки;

ж) применение легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита к распаду позволяет использовать закалочные среды с низкой интенсивностью охлаждения и способы закалки, позволяющие уменьшать возникающие напряжения в процессе охлаждения (например, режим купания);

2.Скорость нагрева и охлаждения.

Высокая интенсивность охлаждения при закалке нежелательна из-за возникновения высокого уровня термического градиента и тепловых напряжений (см.рис.5 и 6).

К идеальному варианту охлаждения при закалке можно отнести режим: ускоренное охлаждение в области интервала температур перлитного превращения (650-550⁰С) аустенита (для подавления перлитного превращения) и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения (ниже 300⁰С). Увеличение скорости охлаждения для сталей с низкой мартенситной прокаливаемостью до уровня ≥V_кр приводит к увеличению перепада температур по сечению изделия и вероятности возникновения коробления или деформации (сравнить рис. 5 и 6). Поэтому целесообразно для изделий сложной формы и большой разнотолщинности выбирать стали с высокой устойчивостью аустенита к распаду при переохлаждении и повышенной температурой Мн, т.е. использовать низколегированные или легированные стали.

Тепло от поверхности термообрабатываемой детали при использовании принудительного охлаждения отводиться главным образов за счет излучения, конвекции, теплопроводности и парообразования. При охлаждении металла на воздухе теплоотвод излучением является основным способом отбора тепла (например, в интервале температур от А_С1 до 100⁰С снижается от 63 до 18 ккал\м³час град.). Конвекция и теплопроводность являются преимущественными способами при низких температурах поверхности закаливаемого металла. Охлаждение за счет теплопроводности является превалирующим в случае применения медных или железных плит, а также расплавов металлов, солей, щелочей.

Интенсивность охлаждения конвекцией зависит от многих факторов, к основным из которых относятся:

-от наличия или отсутствия изменения агрегатного состояния жидкой охлаждающей среды при соприкосновении с поверхностью закаливаемого изделия (соответственно наличие или отсутствие стадий закалочного охлаждения и температурных интервалов их проявления, отличающихся значением коэффициента теплоотдачи);

-от жидкотекучести (вязкости), теплоемкости и теплопроводности охлаждающей среды;

--от электропроводности охлаждающей среды (определяет наличие и длительность стадии пленочного кипения);

-от температуры охлаждающей среды и температуры ее кипения;

-от скорости циркуляции среды относительно поверхности охлаждаемой детали;

-от наличия или отсутствия внешнего воздействия на систему –«поверхность детали-охлаждающая среда» (например, давления над зеркалом ванны, вибрационного, электро- или магнитного поля и т.д.);

-состояния поверхности охлаждаемого изделия и уровня его шероховатости.

Основным условием конвективного теплообмена является снижение температуры поверхности охлаждаемой детали ниже температуры кипения жидкости.

Парообразование (газообразование) является неотъемлемой частью процесса закалочного охлаждения металлоизделий в жидких средах, изменяющих свое агрегатное состояние при нагреве. На парообразование расходуется значительно больше тепла от нагретого изделия, чем на нагрев жидкой охлаждающей среды до кипения. Например, для нагрева 1 литра воды до кипения тратиться 100 ккал., а для испарения 1 литра воды - 538,7 ккал (а для водных растворов хлоридов еще больше). Именно на этом принципе разработан и используется в промышленности процесс испарительного охлаждения, когда для закалки используется среда, нагретая до температуры кипения и отбор тепла от закаливаемой детали осуществляется за счет испарения жидкости с зеркала ванны.

Для краткой характеристики свойств жидких закалочных сред на деформацию и коробление при закалке целесообразно рассмотреть данные таблицы 3 и рисунка 3. Данные, приведенные в табл.3 получены после закалки колец Френча (рис.2) из стали 40 от температуры 840⁰С.

Таблица 3 –Влияние характеристик жидкой охлаждающей среды на твердость и уровень напряжений в металле колец Френча

Охлаждающая среда	Темпера-тура охладителя, ^0С	Скорость циркуляции охладителя, м/с	Твер-дость, ^HRC	Величина деформации, мм
Вода		0,5	56-60	+0,39 (разбег на четырёх образцах 0,32-0,45)\-0,2^XХ
«		0,5	56-59	+0,425 (разбег 0,34-0,55)
«			56-59	+0,56 (разбег 0,38-0,73)
«	³90		62-64	Образцы разрушились^ХХ
Водный раствор NaOH
10-%-ный		0,5	57-59	+0,22 (разбег 0,13-0,34)
50-%-ный		0,5	58-60	+0,12 (разбег 0,06-0,16)
75-%-ный		0,5	55-57	+0,05 (разбег 0,04-0,06)
Масло веретенное		0,5	18-22	-0,13 (разбег 0,07-0,23)
Водный раствор NaCl 10%:		0,5	57-60	+0,18 (разбег 0,14-0,22)
Водный раствор (50%) бишофита (MgCl2^х6Н2О):	³90		62-64	+0,8\-0,17^ХХ
40% воды; 50% масла; 10% NaOH		0,5	53-57	+0,19 (разбег 0,12-0,24)
25% воды; 25% масла; 50% NaOH		0,5	52-56	+0,07 (разбег 0,01-0,19)

х- за величину деформации считают разность расстояний между губками образца Френча до и после закалки, среднее значение при количестве образцов ≥4. Знак «+» перед данными опыта означает растягивающие напряжения, а «–» - сжимающие напряжение, т.е. схождение губок образца.

ХХ – образцы Френча из стали 5ХНМ, в числителе данные после закалки, в знаменателе после отпуска 500^0,С, 1 ч.

Важным параметром охлаждающей среды является температурный интервал, уровень и временная продолжительность максимального теплоотбора от поверхности закаливаемой детали. Как следует из рис.3 и табл.3 каждая охлаждающая среда имеет индивидуальные теплотехнические параметры и поэтому эти особенности должны обязательно учитываться при выборе среды и способа охлаждения деталей сложной геометрии и большой разнотолщинности.

Негативным воздействием на закаливаемую деталь обладают охлаждающие среды, у которых максимум теплоотбора находится в области упругого состояния металла, а уровень теплоотвода резко увеличивается и достигает максимума в течение короткого промежутка времени (например, вода с температурой ≥90⁰С).

Рис.2 Эскиз образца Френча для определения уровня и знака закалочных напряжений

Рис.3 – Сравнительные кривые объемного охлаждения металла в различных жидких закалочных средах (Петраш Л.В.)

Масла, как закалочные среды, обладают рядом положительных параметров, обусловливающих минимальный уровень сжимающих остаточных напряжений и коробление изделий. Это возможно за счет смещения максимума интенсивности охлаждения в область температур поверхности закаливаемого изделия до 450-550⁰С (металл находится в пластичном состоянии и происходит быстрая релаксация термических и структурных напряжений) и резкогоснижения скорости охлаждения в мартенситном интервале температур.

Вода с температурой примерно до 35 - 40⁰С обладает существенно более высокой интенсивностью равномерного охлаждения металла во всем температурном интервале при закалке, а максимум теплоотвода от поверхности детали находится в области температур 300-250⁰С, когда металл уже находится в упругом состоянии, дислокации обладают очень низкой подвижностью и затруднена релаксация напряжений. В области температур мартенситного интервала вода охлаждает с высокой скоростью, что увеличивает уровень остаточных напряжений и вероятность коробления, деформации и даже разрушения детали. С повышением температуры закалочной ванны с водой (вплоть до кипения) происходит увеличение длительности стадии пленочного кипения и неравномерности охлаждения, снижение интенсивности охлаждения, а также смещение максимума теплоотбора в область более низких температур – до 180-160⁰С для кипящей воды. При этом с повышением температуры воды свыше ≈80⁰С происходит резкое увеличение ее коэффициента теплоотдачи при сокращении временного интервала интенсивного теплоотбора, т.е. по сути происходит термоудар, на который металл реагирует резким увеличением уровня термических и структурных напряжений. Именно этим обусловлено частое разрушение металлоизделий при закалке в воде с температурой выше 80⁰С.

Использование в качестве закалочных сред водных растворов хлоридов с температурой 60⁰С - температура кипения приводит к уменьшению интенсивности охлаждения металла и смещению максимума теплоотбора в сторону температур металла 500-700⁰С, что существенно снижает уровень остаточных напряжений и увеличивает мартенситную прокаливаемость за счет повышения скорости охлаждения в перлитном интервале температур (рис.3, кривая 4, табл.3 - значения для водного раствора хлорида натрия). Использование в качестве закалочных сред водных растворов хлоридов повышает также и равномерность закалочного охлаждения за счет уменьшения или полного устранения стадии пленочного кипения и обусловленного этим неравномерного (пятнистого) охлаждения, существенно увеличивающего остаточные напряжения в металле деталей.

Дата добавления: 2014-10-23