Исходная структура металла детали перед закалкой

Известно, что разные структурные составляющие стальных деталей имеют различный удельный объем при нагреве, фазовых и структурных превращениях. На практике для уменьшения уровня остаточных напряжений в деталях и снижения затрат на финишную доводку формы детали до требований чертежа (фрезерование, точение, шлифовка) стремятся иметь исходную структуру металла близкую к структуре после финишной термообработки. Для получения однородного по составу аустенита при финишной аустенитизации стремятся в исходном металле иметь тонкодисперсную структуру троостита или сорбита. Оптимальной структурой в сталях при наличии карбидной фазы является структура с мелкими и равномерно распределенными карбидами. Это позволяет снижать степень коробления после финишной закалки.

При реализации ускоренного охлаждения деталей в процессе термообработки температура металла, удаленного на разные расстояния от поверхности, будет подвергаться различной интенсивности нагрева или охлаждения, что приводит к возникновению разности температур по сечению детали (градиент температуры). На рис. 5 и 6 приведены кривые охлаждения металла стального шара диаметром 25мм при охлаждении его в воде и в масле от температуры 875⁰С, а также кривые, характеризующие изменение разности температур между металлом поверхности и центра в течение определенного времени охлаждения в этих средах. Из рис.5 и 6 видно, что наибольшая разность температур возникает при охлаждении шара в воде в первые секунды процесса закалки, при этом скорость охлаждения металла на поверхности шара значительно выше, чем в центре (максимальный градиент температур). После некоторого времени охлаждения (примерно 0,2 сек) скорость охлаждения металла поверхности замедляется, а металла центра увеличивается, при этом градиент температур уменьшается.

Рис.5 Кривые изменения температуры металла поверхности и центра стального шара диаметром 25мм при охлаждении в воде от температуры 875^0С (б-кривая охлаждения центра шара; а –кривая охлаждения поверхности шара; в –кривая, характеризующая изменение разности температур между поверхностью и центром шара)

Рис.6 Кривые изменения температуры металла поверхности и центра стального шара диаметром 25мм при охлаждении в масле от температуры 875^0С (б-кривая охлаждения центра шара; а –кривая охлаждения поверхности шара; в –кривая, характеризующая изменение разности температур между поверхностью и центром шара) При закалке в масло с реализацией полиморфного превращения тепловая составляющая остаточных напряжений существенно меньше, по сравнению с закалкой в воду.

При закалке в масле максимальная скорость охлаждения наблюдается по прошествии более длительного времени из-за наличия устойчивой стадии пленочного кипения. При этом интенсивность охлаждения металла в масле на всех стадиях закалки значительно ниже, чем в воде, а соответственно и разница температур между поверхностью и центром. Возникновение разности температур (температурного градиента) между поверхностью и центром шара вызывает образование внутренних напряжений в металле из-за различных объемных состояний металла шара. При этом возникающие напряжения увеличиваются до максимума в момент времени, когда температура поверхности шара снижается до температур упругой области металла (ниже ~300⁰С).

Следует отметить, что при нагреве и охлаждении металла изменение объема происходит вследствие теплового расширения или сокращения металла, а также из-за структурных и фазовых превращений. Поэтому при рассмотрении процесса возникновения внутренних напряжений в металле целесообразно различать тепловые (термические) и структурные напряжения. Таким образом, в дальнейшем при рассмотрении остаточных напряжений будем разделять их на термические и структурные напряжений.

Возникновение тепловых (термических) напряжений при быстром охлаждении металлоизделий обусловлено разной скоростью охлаждения металла поверхностных слоев и центральных, из-за чего возникает температурный градиент (перепад температуры по сечению) и образование различного уровня напряжений и их знака (растягивающие и сжимающие).

Например, в металле шара, нагретого до температуры ниже А_С1 (отсутствует a®g фазовый переход), при последующем равномерном охлаждении возникает градиент температуры по сечению шара (рис. 7,а), что приводит к возникновению только термических окружных напряжений растяжения (условно имеют знак плюс - см.позицию 1 на рис.7,а).

С - центр шара; К - поверхность (сжимающие напряжения имеют знак минус («-»), а растягивающие знак плюс («+»);

Рис. 7. -Схема изменения термических (тепловых) напряжений (а) в металле поверхности и центра в процессе охлаждения шара от температур ниже А_С1(отсутствует фазовый переход) и структурных напряжений (б) при закалке с полной мартенситной прокаливаемостью (Нахимов Д.М.)

По мере протекания процесса охлаждения и увеличения градиента температур уровень растягивающих напряжений увеличивается и достигает максимума при максимуме температурного градиента (рис. 7, а - сплошная линия).

При дальнейшем охлаждении металла происходит снижение уровня временных растягивающих напряжений до нуля и вновь они увеличиваются (ниже точки пересечения временной линии координат на рис 7а, сплошная линия верхнего графика), но при этом напряжения меняют знак на противоположный (т.е. на минус). В том случае, если бы деформация изделия в результате возникших напряжений происходила бы только в упругой области, то после охлаждения металла остаточные напряжения были бы равны нулю. Но в действительности в начальный период охлаждения шара при высокой температуре металл находится в пластическом состоянии и под влиянием возникающих термических напряжений он пластически деформируется. При этом диаметр поверхностного слоя металла шара мог бы быть больше исходного размера в том случае, если бы изменение объема металла поверхностного слоя не испытывало воздействия со стороны металла внутреннего объема, который имел сжимающие напряжения (пунктирная линия на верхнем графике рис. 7,а). Таким образом, сплошность металла изделия приводит к перераспределению знака напряжений в металле поверхностных и центральных объемов. После охлаждения в поверхностном слое получаются сжимающие («-»), а в центральных слоях – растягивающие («+») остаточные напряжения (рис. 7,а, позиция Ш). Таким образом, возникновение остаточных напряжений связано с неравномерной деформацией отдельных участков изделия. Только в случае равномерного охлаждения металла изделия не происходит искажения его формы (коробление) и изменения размеров (деформация).

В том случае, когда аустенитизация металла была проведена при температурах выше критических точек и скорость охлаждения при закалке была ≥V_КР, достигается сквозная мартенситная прокаливаемость шара. Условно считая, что термических напряжений в шаре нет, рассмотрим процесс возникновения и перераспределения структурных напряжений (рис.7,б). При переохлаждении шара ниже температуры точки Мн мартенсит образуется в первую очередь в поверхностном слое металла, где температура Мн достигается раньше по отношению к сердцевине. Превращение γ→α с образованием мартенсита сопровождается увеличением объема, что приводит к возникновению в поверхностных слоях металла временных сжимающих напряжений, а в срединных – растягивающих (позиция 1 на рис.7,б). В процессе закалки знак напряжений в металле поверхностных и срединных слоев шара меняется и после закалки структурные напряжения будут иметь знак «+» - растягивающие на поверхности и знак «-» сжимающие в центре (рис. 7,Б, позиция Ш), т.е. структурные напряжения имеют противоположный знак по отношению к термическим.

На практике при закалке деталей одновременно возникают термические и структурные напряжения и в зависимости от действия большого количества факторов суммарные остаточные напряжения могут быть различными (в одних случаях превалируют структурные, в других термические).

Результаты исследований показали, что характер этих деформаций подчиняется следующей зависимости:

-в тех объемах металла, в которых охлаждение завершается в последнюю очередь, под воздействием термических напряжений возникает относительное уменьшение размера, а термические напряжения (осевые и окружные) после охлаждения изделия имеют знак «+» (растягивающие напряжения). Поэтому в зависимости от формы термически обрабатываемого тела после многократных термоциклов (нагрев ниже А_С1 –охлаждение) меняют свою форму (рис.8). В деталях с формой куба после многократных термоциклов из-за сокращения диагонали происходит изменение формы и приближение ее к форме шара.

а -начальная форма; б - после воздействия термоциклов.

Рис.8 Деформация стальных образцов разной формы под воздействием термических напряжений

В цилиндрических образцах, высота которых больше диаметра, после термоциклирования происходит уменьшение высоты и увеличение диаметра. При отношении высоты к диаметру менее единицы происходит сокращение диагоналей и соответственно происходит увеличение высоты и уменьшение диаметра.

В полом цилиндре после охлаждения только с наружной поверхности от температур ниже А_С1 в металле поверхностного слоя возникают термические окружные сжимающие напряжения, а в глубинных слоях, остывающих последними, – растягивающие (рис.9,а).

а - охлаждение снаружи; б -охлаждение внутри; в -охлаждение снаружи и внутри (сжимающие «-», растягивающие «+» остаточные напряжения).

Рис. 9 – Остаточные тепловые напряжения при охлаждении в воде полого цилиндра (Нахимов Д.М.)

При охлаждении полого цилиндра только изнутри (рис. 9,б) знак остаточных напряжений изменяется. Наиболее благоприятное распределение в металле полого цилиндра наблюдается при двухстороннем охлаждении, т.е. изнутри и снаружи (рис. 9,в) – в поверхностных слоях металла сжимающие, а в средней зоне по толщине стенки цилиндра растягивающие напряжения.`

На рис. 10 и 11 приведены типичные эпюры остаточных напряжений в металле образцов (диаметр 102мм и длиной 140мм) из хромоникелемолибденовой стали после сквозной закалки в воде и масле. Из приведенных рисунков видно, что при закалке в воде на поверхности образцов возникают сжимающие («-») окружные и осевые напряжения, а после закалки в масло эти напряжения имеют более высокий уровень сжимающих напряжений, проникающих на большую глубину поверхностного слоя металла. При закалке в воде в момент достижения температур мартенситного превращения металлом поверхностного слоя в детали имеется большой температурный градиент между поверхностью и центром. В металле поверхности образуется мартенсит, в котором значительная часть упругой деформации в момент g®a превращения переходит в остаточную. При этом металл сердцевины имеет более высокую температуру и, подвергаясь дальнейшему охлаждению сжимается. Это приводит к образованию на поверхности изделия сжимающих напряжений.

а - окружные напряжения; б –осевые; в – радиальные.

Рис. 10 – Остаточные напряжения в образце диаметром 102мм и длиной 140 мм из конструкционной хромоникелемолибденовой стали после сквозной закалки в воде. Отпуск 100⁰С (Нахимов Д.М.)

а - окружные напряжения; б –осевые; в – радиальные.

(сжимающие «-», растягивающие «+» остаточные напряжения)

Рис. 11 –Остаточные напряжения в образце диаметром 102мм и длиной 140мм из конструкционной хромоникелемолибденовой стали после сквозной закалки в масле. Отпуск 100⁰С (Нахимов Д.М.).

.

Этот процесс усиливается еще и тем, что в металле поверхностного слоя остается меньшее количество остаточного аустенита (по сравнению с центром), что увеличивает удельный объем стали на поверхности. Образуются напряжения от неоднородности структурного состояния, приводящие к образованию на поверхности напряжения сжатия.

При закалке в масло температурный перепад в металле поверхности и центра при мартенситном превращении меньше (см.рис. 5,6). Поэтому составляющая, соответствующая термическим напряжениям, мала, и на поверхности преобладают сжимающие окружные и осевые структурные напряжения (рис.11).

Таким образом управлять знаком и уровнем остаточных напряжений в металле термически обрабатываемых деталей возможно за счет применения различных технологических приемов и оптимизации параметров режимов нагрева и охлаждения металла. Получение в металле поверхностных слоев термообрабатываемых деталей остаточных сжимающих напряжений и в срединных слоях невысокого уровня растягивающих остаточных напряжений позволяет существенно повысить ресурс работы деталей и исключить растрескивание металла и отбраковку деталей.

Дата добавления: 2014-10-23