лекции по материаловедению -2006

8.2 Закалка стали

Закалкой называется операция термической обработки, при которой производится нагрев доэвтектоидных сталей до температур на 30 - 50 °С выше точки А_С3, заэвтектоидных сталей – на 30 - 50 °С выше А_С1, выдержка и охлаждение со скоростью выше критической. Цель закалки – получение неравновесных структур – мартенсита и в ряде случаев остаточного аустенита. что позволяет не только обеспечить высокую твердость и прочность стали, но и получать при последующей опрации отпуска специфические структуры, которые невозможно получить другим путем.

Таким образом, температура закалки зависит от состава стали. Для углеродистых сталей ее можно определить по диаграмме железо-углерод (рис.8.3).

Критической называется скорость охлаждения, при которой весь переохлажденный аустенит сохраняется до начала мартенситного превращения. В качестве охлаждающих сред при закалке используется вода, водные растворы и расплавы солей и щелочей, минеральное масло. Охлаждение в расплавленных солях и щелочах производится при ступенчатой и изотермической закалке.

При нагреве сталей выше верхней критической точки происходит полная фазовая перекристаллизация; образующийся аустенит при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит.

А А+Ц

Ф+А

Ф+Ц

1 - полная:

2 - неполная

Рисунок 8.3 – Температура нагрева сталей для закалки

В случае нагрева доэвтектоидной стали ниже критической точки А_С3 структура после закалки будет состоять из мартенсита и феррита. Такая закалка называется неполной. Феррит, обладая низкой твердостью, понижает твердость закаленной стали, поэтому неполная закалка для доэвтектоидных сталей обычно не применяется.

Заэвтектоидные стали подвергают обычно неполной закалке. Наряду с мартенситом в структуре заэвтектоидной стали присутствует вторичный цементит. Цементит имеет очень высокую твердость, поэтому способствует повышению твердости и износостойкости стали.

Размер мартенситных кристаллов зависит от величины зерна аустенита. При перегреве стали, относительно нормальной температуры закалки, зерна аустенита вырастают до значительных размеров, вследствие чего получается крупноигольчатый мартенсит. Сталь с такой структурой обладает повышенной хрупкостью.

Кроме мартенсита, в структуре закаленной стали имеется остаточный аустенит, количество которого увеличивается с повышением содержания в нем углерода. Это снижает твердость закаленной стали. Увеличению количества остаточного аустенита способствуют также легирование стали и перегрев при закалке. В структуре остаточный аустенит наблюдается в виде светлых полей между иглами мартенсита.

Способность стали к повышению твердости при закалке называется закаливаемостью - это одна из важных характеристик стали. Закаливаемость определяется содержанием углерода, так как от него зависит твердость мартенсита (рис. 8.4). Увеличение содержания углерода до 0,6-0,8% приводит к резкому повышению твердости закаленной стали.

При дальнейшем увеличении содержания углерода твердость повышается незначительно, если закалка производится от температур выше критической точки А_С1, либо снижается, если нагрев производится выше А_Сс_m . Это объясняется наличием в структуре остаточного аустенита и увеличением его количества при повышении содержания углерода в стали и повышении температуры закалки.

HRC а

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 % С

а – мартенсита;

б – закаленной стали, нагретой выше А_С1;

в – закаленной стали, нагретой выше А_С3 (А_С_cm)

Рисунок 8.4 – Влияние содержания углерода на твердость стали

Нагрев заэвтектоидных сталей выше А_Сс_m, т.е. перегрев относительно оптимальной температуры закалки, кроме снижения твердости. приводит и к другим нежелательные последствиям, получается крупноигольчатый мартенсит, увеличивается коробление и опасность появления трещин.

Прокаливаемость – это способность сталей при закалке приобретать структуру мартенсита (закаливаться) на определенную глубину. Такая особенность связана с тем, что скорость охлаждения неодинакова по сечению изделия – максимальна на поверхности и минимальна в центре. Поэтому закалке подвергается только тот поверхностный слой, в котором скорость охлаждения оказалась выше критической. При понижении критической скорости охлаждения, например за счет легирования, глубина закаленного слоя (прокаливаемость) возрастает.

Для практической оценки прокаливаемости пользуются величиной, которую называют критическим диаметром. Он показывает максимальный диаметр цилиндрической заготовки, которая при данных условиях охлаждения прокаливается насквозь.

Содержание