 |
Влияние технологических факторов.
|
|
|
|
Температура нагрева.
Температура может оказать влияние на образование трещин в процессе нагрева и охлаждения, а также после окончательной термической обработки.
Хрупкое разрушение стали при нагреве наиболее вероятно в крупных заготовках, поковках, слитках из-за значительной разности температур по сечению. В процессе нагрева до 650 С слитков среднеуглеродистой конструкционной стали с исходной структурой перлита допустима разность температур по сечению до 230 С.
При 600-650 С большинство сталей приобретают значительную пластичность. Способность стали к удлинению при растяжении при этом возрастает в 2-2,5 раза.
Перед фазовыми превращениями слитки или поковки выдерживают до выравнивания температуры по сечению для превращения фаз a ® g одновременно по всему объему изделия.
Хотя технологически задача предотвращения значительных напряжений на этом этапе решается достаточно просто, необходимо учитывать экономический аспект: увеличение длительности цикла термической обработки резко повышает материальные затраты на нее. Поэтому скорость нагрева изделий с перлитной структурой на практике ограничивается только для крупных заготовок, штампов. Нагрев изделий среднего машиностроения ведется с достижимой скоростью, то есть максимально возможной на имеющемся термическом оборудовании.
Следует учитывать также, что закаленная сталь менее теплопроводна и пластична по сравнению с отожженной. В отличии от отожженной, в закаленной стали при нагревании до критической температуры АС3 протекают процессы отпуска мартенсита. Суммарное изменение объема под влиянием расширения (воздействие температуры) и сжатия (отпуск мартенсита) зависит главным образом от содержания углерода и степени развития процессов выделения углерода из мартенсита. Закаленные изделия, в отличие от отожженных, при нагревании до 600-650 с подвержены образованию глубоких трещин первого рода.
|
|
|
Скорость охлаждения.
При охлаждении от температуры нагрева и до начала фазовых превращений аустенита стали находятся в аустенитном состоянии. Вплоть до низких температур аустенит сохраняет относительно высокую пластичность. При охлаждении из сталей аустенитного класса в них возникают только тепловые напряжения. Подавляющее большинство сталей в процессе охлаждения до комнатной температуры претерпевают фазовые превращения. выравнивание температуры по сечению перед началом перехода g - фазы в a - фазу уменьшает неоднородность структурных превращений, при этом снижаются внутренние напряжения и склонность к трещинам. Пока стальные детали находятся в аустенитном состоянии, трещины в них не появляются.
Превращение фаз g ® a сопровождается большим объемным изменением (на 4-5 %), в связи с этим образование трещин определяется преимущественно данной стадией охлаждения.
При получении перлитных структур (после завершения превращения аустенита в перлит) сталь имеет достаточно высокую пластичность. Для получения перлитных структур требуется весьма замедленное охлаждение, поэтому практически отжиг всегда может осуществляться без образования трещин и высоких напряжений в изделии.
В изделиях из многих сталей перлитные структуры возникают при охлаждении на воздухе. Даже если после нормализации получается высокая твердость, как правило нет опасности появления трещин. Это позволяет зачастую заменить длительный отжиг нормализацией с последующим высокотемпературным отпуском.
При получении пятикратных промежуточных структур обеспечивается как правило твердость 40-55 НRС. Изотермическая закалка предусматривает в процессе охлаждения выдержку при 300-400 С до полного превращения аустенита в игольчатый троостит. Изотермическая закалка по сравнению с закалкой на мартенсит и последующим отпуском имеет существенные преимущества, так как позволяет избежать появления трещин и деформаций. При получении мартенситных структур превращение происходит, как правило, от 300 С и ниже, а заканчивается при различных температурах в зависимости от состава стали. Сталь с содержанием углерода более 0,3 % после мартенситного превращения становится малопластичной, а при более высоком содержании углерода приобретает хрупкость. в связи с этим интервал температур от 300 С и ниже является наиболее опасным с точки зрения трещинообразования.
|
|
|
Для получения надлежащих эксплуатационных свойств скорость охлаждения в мартенситном интервале не имеет существенного значения, но является решающим фактором при образовании трещин. Замедление охлаждения в интервале мартенситного превращения является единственно возможным способом снижения склонности стальных изделий к образованию трещин и высоких остаточных напряжений при закалке.
Исходная микроструктура.
Структура с зернистым перлитом, как правило, менее склонна к трещинам при закалке, чем с пластинчатым.
Влияние строения перлита в углеродистой и малолегированной стали на ее склонность к трещинообразованию проявляется различным образом вследствие различного насыщения аустенита углеродом и легирующими элементами. Это негативное явление может иметь место при ограниченных выдержках изделий во время нагрева.
С уменьшением содержания углерода в мартенсите понижается хрупкость стали и чувствительность к образованию трещин первого типа. Укрупнение перлита вследствие замедленного разложения карбидов снижает вероятность образования трещин, но при охлаждении в воде влияние этого фактора незначительно.
Нельзя не учитывать и эксплуатационных свойств стали. Чем более насыщен мартенсит углеродом, тем больше выделяется при низкотемпературном отпуске мельчайших упрочняющих сталь карбидов. Эти карбиды повышают устойчивость стали против истирания (износостойкость). Для обеспечения стабильного качества изделий после закалки прибегают к установлению твердых норм времени и значений температуры нагрева. Пределы температуры нагрева при закалке устанавливаются с расчетом на сохранение мелкозернистой структуры стали.
|
|
|
Избыточные фазы.
Избыточные фазы со структурой перлита имеют решающее значение с точки зрения склонности стали к трещинообразованию после закалки, особенно если они расположены по границам зерен. Наибольшее значение имеет карбидная сетка, состоящая из вторичных и ледебуритных карбидов. Это характерно для заэвтектоидных сталей, режимы закалки которых предусматривает нагрев до температур, при которых вторичные карбиды переходят в твердый раствор в незначительном количестве. Остальная часть этих карбидов сохраняет то расположение, которое они имели в отожженной стали. Карбидная сетка по границам зерен с мартенситной структурой снижает прочность при изгибе в 3 раза, сильно разорванная сетка – в 2 раза. Равномерное расположение вторичных карбидов достигается на предварительных операциях обработки стали (ковка, отжиг, прокатка).
Крупное зерно.
Крупное зерно в исходной структуре получается в результате перегрева в процессе предшествующих операций горячей обработки, отжига. Причиной является замедленная кристаллизация слитка. Перекристаллизация, полученная при последующих нагревах для закалки не всегда исправляет исходное зерно.
При нагреве в каждом зерне стали возникает по несколько новых центров кристаллизации. Иногда центры кристаллизации при зарождении получают случайную ориентировку, не связанную с кристаллической ориентировкой исходного зерна. При этом сталь приобретает более мелкозернистое строение, что соответственно повышает механические свойства металла.
При других условиях перекристаллизации новые зерна в процессе зарождения оказываются закономерно ориентированными относительно кристаллической решетки исходного зерна. Тогда все новые зерна, возникшие в старом зерне, будут иметь одинаковую кристаллографическую ориентировку. такие зерна ведут себя как одно цельное зерно и в изломе выявляется грубозернистая структура.
|
|
|
В практике термической обработки возможны случаи, когда в микроструктуре выявлено мелкое зерно, а излом – грубозернистый. Это означает, что исходная крупнозернистая структура сохранилась и сталь разрушается по границам прежних зерен. Такая сталь имеет высокую склонность к трещинообразованию, поэтому наряду с микроструктурой стали необходимо проверять строение излома.
Многократная закалка.
Иногда изделия подвергают повторной закалке без промежуточного отпуска или отжига. Такая операция производится в цехах, когда требуется исправить недостатки первой закалки из-за нарушений технологии. После перезакалки часто возникают трещины или повышенные деформации изделий.
Повторная закалка увеличивает количество микротрещин, затем происходит их слияние с образованием макротрещин.
Если исходной структурой был мартенсит, то при последующем нагреве величина зерна и исходная концентрация элементов будут равны или близки к величине зерна и составу мартенсита, а выдержка будет как бы продолжением той выдержки, которая имела место при первой закалке. Вторая закалка, осуществляемая с низкотемпературным нагревом
|
|
|
