Закаливаемость и прокаливаемость стали

Под закаливаемо­стью понимают способность стали повышать твердость в ре­зультате закалки. Закаливаемость стали определяется в первую очередь содержанием в стали углерода.

Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказы­вают относительно небольшое влияние на закаливаемость.

Под прокаливаемостью понимают способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троосто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаж­дения, зависящей от состава стали.

Рис. 89. Зависимость прокаливаемости от критической скорости закалки V_к:

а и а₁ - глубина закаленного слоя; V_1к - критическая скорость закалки углероди­стой стали;

V_2к, V_3к - критические скорости закалки низколегированной и высоколе­гированной стали

(сталь легирована несколькими элементами)

Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закалки V_к (рис. 89, V_3кр, то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и тем самым будет иметь сквоз­ную прокаливаемость.

Если действительная скорость охлаждения в сердцевине бу­дет меньше V_к (V_1к, V_2к), то изделие прокалится только на некоторую глубину а, а₁ и прокаливаемость будет неполной. В этом случае в сердцевине произойдет распад аустенита с образованием пла­стинчатой ферритно-карбидной структуры (троостита, сорбита или перлита).

За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50 % мартенсита + 50 % троостита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром D_к.

Крити­ческий диаметр определяет размер сечения изделия, прокаливаю­щегося насквозь, т. е. получающего высокую твердость, а после отпуска и высокие механические свойства по всему сечению. Полумартенситная структура во многих случаях не обеспечивает макси­мум механических свойств - сильно снижается s_-1 и KCU. В связи с этим прокаливаемость нередко определяют по глубине закаленного слоя со структурой 95 % мартенсита. Критический диаметр для структуры 95 % мартенсита примерно на 25 % меньше критического диаметра, определенного по полумартенситной зоне. Полная прокаливаемость на структуру 99,9 % мартенсита со­ставляет 50 % полумартенситной прокаливаемости. Полумартенситную зону принимают в качестве критерия прокаливаемости потому, что ее легко определить по микроструктуре, но еще проще по твердости. Твердость полумартенситной структуры зависит от содержания в стали углерода. Например, при 0,13…0,22 % С твердость полумартенситной структуры углеродистой стали 25 HRC, легированной - 30 HRC; при 0,28…0,32 % С соответственно 35 HRC и 40 HRC, при 0,43…0,52 % С - 45 HRC и 50 HRC и при 0,53…0,62 % С - 50 HRC и 55 HRC.

Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т. е. чем выше устойчивость переохлажденного аусте­нита.

Легированные стали вследствие более высокой устойчивости переохлажденного аустенита и соответственно меньшей крити­ческой скорости охлаждения (см. рис. 89, v_2к и v_3к) прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают про­каливаемость марганец, хром, молибден и малые добавки бора (0,003…0,005 %), менее сильно влияют никель и кремний.

Про­каливаемость особенно возрастает при одновременном введении в сталь нескольких легирующих элементов.

Устойчивость переохлажденного аустенита повышается, а кри­тическая скорость закалки уменьшается только при том условии, если легирующие элементы растворены в аустените. Если легирую­щие элементы находятся в виде избыточных частиц карбидов, то они не повышают устойчивость аустенита и могут ее уменьшить, так как карбиды служат готовыми зародышами, облегчающими рас­пад аустенита.

Карбиды титана, ниобия и ванадия при нормально принятом нагреве под закалку обычно не растворяются в аусте­ните и понижают прокаливаемость. Сильно влияет на прокали­ваемость величина зерна аустенита. В углеродистой стали при укрупнении зерна от балла 6 до балла 1 - 2 глубина закаленного слоя возрастает в 2 - 3 раза, поэтому увеличение тем­пературы и длительности нагрева повышают прокаливаемость. Легирующие элементы, находящиеся в виде карбидов, не только создают дополнительные центры, способствующие распаду ау­стенита, но и измельчают его зерно, что также увеличивает кри­тическую скорость закалки и уменьшает прокаливаемость.

При сквозной закалке свойства стали, и в частности твердость, по всему сечению изделия одинаковы. При несквозной закалке изменение структуры стали по сечению способствует соответ­ствующим изменениям свойств. При несквозной прокаливаемости твердость падает от поверхности к сердцевине. При несквозной прокаливаемости отпуск при высокой температуре уменьшает различие в твердости и времен­ном сопротивлении по сечению. Однако предел текучести, удар­ная вязкость и относительное сужение в сердцевине образца остаются более низкими. Это объясняется разным характером строе­ния ферритно-цементитной структуры. В закаленном слое в ре­зультате отпуска мартенсита образуется более дисперсная феррито-цементитная структура зернистого строения, а в сердце­вине она более грубая и имеет пластинчатое строение.

Влияние прокаливаемости на механические свойства можно показать на примере. Заготовки из углеродистой стали с 0,45 % С, диаметром 10 мм прокаливаются в воде насквозь. После отпуска при 550 ⁰С получается структура - сорбит отпуска. Для такой структуры характерны высокие механические свойства: s_В = 800 МПа; s_0,2 = 650 МПа; d = 16 %; y = 50 % и KCU = 1 МДж/м². При диаметре заготовки 100 мм и закалке в воде скорость охлаждения в сердцевине значительно меньше критиче­ской и там образуется структура из пластинчатого перлита и феррита. Эта структура обладает более низкими механическими свойствами: s_В = 700 МПа; s_0,2 = 450 МПа; d = 13 %; y = 40 % и KCU = 0,5 МДж/м². Для получения одинаковых и высоких механических свойств по всему сечению во многих слу­чаях необходимо обеспечить в процессе закалки сквозную прокаливаемость.

Прокаливаемость углеродистой стали в небольших сечениях (диаметром до 15…20 мм) можно опре­делить по виду излома закаленных об­разцов. Часто прокаливаемость опре­деляют по кривым распределения твер­дости по сечению.

Для этого образец ломают или разрезают и по диаметру сечения определяют твер­дость.

Прокаливаемость даже одной и той же марки стали может колебаться в значительных пределах в зависимости от изменений химического состава стали, величины зерна, размера и формы изделия и многих других факторов. В связи с этим прокаливаемость стали каждой марки характеризуется не кривой, а так называемой полосой прокаливаемости, которая не всегда отражает действительную прокаливаемость стали в изделии.

Дата добавления: 2014-01-05