Краткие теоретические сведения. Под прокаливаемостью понимают способность стали закаливать­ся на определенную глубину

ЗАКАЛИВАЕМОСТЬ И ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛИ

Закаливаемость и прокаливаемость —эти два понятия характеризуют важные свойства стали.

Под закаливаемостью понимают способность стали к получению максимальной твердости при закалке.

Под прокаливаемостью понимают способ­ность стали получить закаленный слой с мартенситной или трооститно-мартенситной структурой на определенную глубину.

За характеристику прокаливаемости принято считать крити­ческий диаметр DК

, т. е. наибольший диаметр цилиндра из дан­ной стали, который получат в результате закалки полумартенситную структуру в центре образца. Эта структура содержит 50% мартенсита и 50% троостита. В этом случае
DK
обозна­чается D50 Однако часто важно знать значение диаметра, где содержание мартенсита значительно выше: 95% и 99,9%. В этих случаях
DK
обозначают D95 и обозначают D99
.
Вопрос о прокаливаемости возникает потому, что скорость охлаждения по сечению зака­ливаемой детали различная: она максимальная на поверхности, уменьшается в более глубоких от поверхности слоях и мини­мальная в центральной части детали, рис. 22.

Естественно, что твердость по сечению детали, не имеющей сквозную прокаливаемость, будет неодинаковая, например, для стали с 0,8% С может быть НRС 65 на поверхности до НКС 15 в центре. После отпуска, когда можно выровнять твердость по сечению, ряд других свойств (особенно ап

и ат) в непрокалившихся участках сечения оказываются заведомо снижен­ными.

Для машиностроительных деталей ответственного назначе­ния, которые работают в жестких условиях нагружения (на разрыв и, особенно, на удар), также для деталей типа пружин, рессор и подавляющего большинства инструментов требуется, чтобы после закалки структура по всему сечению состояла из 100% мартенсита, что обеспечит однородную структуру после отпуска.

Для деталей машин, работающих в условиях менее жесткого нагружения (в основном на изгиб и кручение) в последнее время за критерий прокаливаемости принимается 100% мартен­сита на глубине 0,5 радиуса детали.

Таким образом для конструктора, выбирающего материал для детали, знание прокаливаемости (критического диаметра Dк)

стали весьма важно.

Ниже рассматривается определение прокаливаемости мето­дом торцевой закалки. При этом методе стандартный образец (1 = 100 мм и d = 25 мм) из исследуемой стали подвергается охлаждению струей воды только с торца. Естественно, что ско­рость охлаждения по удалению от торца будет уменьшаться (соответственно уменьшается и твердость).

На прокаливаемость влияет много факторов: а) состав аустенита (все элементы, растворяющиеся в аустените за исключением Со, увеличивают стабильность аустенита, сдвигают вправо С-образные кривые распада аустенита и уве­личивают прокаливаемость); б) с ростом зерна аустенита прокаливаемость также увеличивается; в) увеличение неоднород­ности аустенита и наличие нерастворимых частиц (оксиды, кар­биды) в аустените ускоряют распад аустенита и уменьшают прокаливаемость.

а) б)

Рис.22Кривые изменения твердости углеродистой стали с 0,3 % С (а) и легированной стали с 0,3 % С, 1,27% Si и 0,87 % Cr(б) в зависимости от расстояния охлаждаемого торца.

Рис.23. Зависимость твердости полумартенситной структуры HRC 50 от содержания углерода в стали.

Рис.24. Диаграмма для определения критического диаметра D50 стали ускоренным методом.

Практическая часть

Порядок выполнения работы

Для выполнения задания необходимо:

1. Получить у преподавателя номер варианта индивидуального задания и выписать его из таблицы 9.

2. Начертить в масштабе анализируемую диаграмму состо­яния.

3. Определить твердость полумартенситной структуры HRC50M взависимости от содержания углерода в стали.

4. Определить глубину закалки.

5 Определить крити­ческий диаметр Dk.

6. Результаты записать в таблицу.

7. Написать практическую часть отчета о работе в соответ­ствии с вышеуказанными пунктами задания.

Таблица 9

Индивидуальные задания по определению прокаливаемости стали.

2.2.Пример выполнения задания.

На рис. 22 представлены значения твердости в зависимости от расстояния от торца двух сталей: с~0,3% С, кривая а, и с 0,3% С, 1,27% Si и 0,87% Сг, кривая б.

Далее по кривой определяют h расстояние от торца образца до полумартенситной зоны: т. е. области, где структура состоит из 50% мартенсита и 50% троостита. Для этого на рис. 23 приведена кривая, показывающая твердость полумартенситной структуры HRC50M от содержания углерода в стали. (HRC50M легированной стали при равном содержании углерода выше не больше, чем на 5 ед.). Из рис. 23 определяем для стали с 0,3% С HRC50M = 37, для стали ЗЗХС HRC50M =42. Отложив по оси ординат на рис. 22 значения твердости HRC50M = 37 и HRC50M = 42, проводим горизонтали до пере­сечения с кривыми HRC = f(h). Спроектировав полученные точки пересечения на ось расстояний, получим, что расстояние до полумартенситной зоны для углеродистой стали равно ~4мм, для легированной стали ~ 10 мм. Для определения D50 используем диаграмму на рис. 24. Отложим по оси абсцисс найденные расстояния и из полученных точек восстановим пер­пендикуляры до кривой
«вода».
Из полученных точек пересе­чения проведем горизонтали до пересечения с осью ординат и находим, что при закалке в воде Dkуглеродистой ста­ли с С = 0,3% около 20 мм, для легированной Dk= 40 мм. Результаты занести в таблицу 10.

Таблица 10.

Определение прокаливаемости стали.

Практическое занятие №6

Прокаливаемость и закаливаемость стали

Прокаливаемость важнейшая характеристика стали, определяющая выбор марки стали в зависимости от размеров закаливаемой заготовки.

Закаливаемость стали характеризует твердость правильно закаленной стали и измеряется в единицах твердости. Чем больше содержание в стали углерода, тем больше искажения решетки мартенсита и выше твердость. Легирующие элементы на закаливаемость влияют слабо.

Прокаливаемость – это способность стали получать закаленный слой определенной глубины. Скорость охлаждения уменьшается от поверхности детали к центру, поэтому при большой толщине детали может оказаться, что в ее сердцевине скорость охлаждения меньше критической (рис.49). В этом случае на мартенсит закалится только поверхностный слой детали, а сердцевина будет незакаленной, с мягкой феррито-перлитной структурой.

Рис. 49. Изменение скорости охлаждения по сечению детали

Прокаливаемость это расстояние от поверхности до того места, где в структуре наблюдается 50% мартенсита и 50% троостита (полумартенситная зона). Твердость полумартенситной зоны зависит от содержания углерода в стали (рис.50). Прокаливаемость выражается в мм и зависит от состава стали, а точнее от величины критической скорости закалки. С увеличением содержания углерода и легирующих элементов, критическая скорость закалки уменьшается, и глубина прокаливаемости увеличивается.

Рис. 50 Твердость полумартенситной зоны углеродистой стали.

Для характеристики прокаливаемости стали в справочниках приводят величину критического диаметра.

Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в конкретной охлаждающей среде.

Чем больше прокаливаемость стали, тем лучше. Углеродистая сталь при охлаждении в воде имеет критический диаметр всего 10-15 мм. Прокаливаемость стали зависит главным образом от содержания легирующих элементов, которые затрудняют диффузионный распад аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость охлаждения при закалке. Чем больше легирующих элементов в стали, тем выше ее прокаливаемость. Чем больше размер заготовки, тем более легированная сталь должна быть применена. Кроме того прокаливаемость больше при увеличении размера зерна аустенита и повышении его химической однородности.

Закаливаемость и прокаливаемость сталей определяют опытным путем. Значения этих характеристик для различных сталей приведены в справочниках.

Для определения прокаливаемости применяют стандартный метод торцевой закалки. Стандартный цилиндрический образец после нагрева в печи быстро переносят в специальную установку, в которой его охлаждают струей воды под напором только с торца. После полного охлаждения по его образующей производят замер твердости, начиная от торца, и строят кривую прокаливаемости. Величину прокаливаемости определяют по расстоянию от торца до полумартенситной зоны (рис.51), твердость которой известна заранее по экспериментальным данным, и определяется в основном содержанием углерода.

Рис. 51. Изменение твердости по длине образца после торцевой закалки.

Определение критического диаметра для изделий простой формы (шар, цилиндр, параллепипед) может быть проведено с достаточно высокой точностью с помощью специальной номограммы (рис.52). Исходной физической характеристикой является расстояние до полумартенситной зоны, полученное экспериментально в результате торцевой закалки. Эта величина откладывается на шкале сверху номограммы. От этой точки опускается перпендикуляр до линии идеального охлаждения и из нее проводится горизонтальная линия до пересечения с линией охлаждения в воде, в масле, или на воздухе. А из этих точек опускаются перпендикуляры до шкал тела определенной формы расположенных внизу номограммы.

Рис. 52. Определение критического диаметра по данным торцевой закалки

Прокаливаемость — важная характеристика стали

Многочисленными исследованиями установлено, что прокаливаемость является важной характеристикой стали. Считается, что степень легирования определяется прокаливаемостью. Было отмечено, что взаимозаменяемость улучшаемых конструкционных сталей следует оценивать по прокаливаемости, и в производственных условиях необходимо определять прокаливаемость сталей каждой плавки. Предлагается классификация сталей по величине прокаливаемости. Наилучшей по прокаливаемости будет та сталь, у которой аустенит обладает малой скоростью распада как в перлитной, так и в промежуточной областях. Начальная температура мартенситного превращения должна быть довольно высокой. Кроме того, при охлаждении в перлитной области следует избегать выпадения избыточного феррита, снижающего твердость и предел усталости стали. Включения феррита снижают ударную вязкость после отпуска и создают концентрацию напряжений в изделиях.

Известно, что прокаливаемость определяется расстоянием от поверхности закаленной детали до слоя с полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50% троостита). Твердость такой полумартенситной зоны зависит в основном от содержания углерода. «Критический» диаметр при закалке находится из условия наличия в сердцевине заготовки полумартенситной структуры. Однако наилучшие свойства можно достигнуть при наличии в структуре 100% мартенсита, что практически получить довольно трудно.

Сквозная прокаливаемость нужна для изделий, работающих на растяжение, а также испытывающих значительные упругие деформации. Предположено определять прокаливаемость по глубине слоя закаленности со структурой 90% мартенсита и 10% троостита закалки или 95% мартенсита. В последнем случае разность между «полумартенситным» и «мартенситным» диаметрами возрастает с увеличением размера изделия. Однако закаленный слой, содержащий 90—95% мартенсита, можно получить лишь в изделиях небольшого сечения. Поэтому с учетом распределения напряжений изгиба и кручения по сечению деталей предложено условие, при котором глубина слоя с содержанием 90% мартенсита должна находиться на расстоянии около радиуса от поверхности.

Был приведен метод определения прокаливаемости для улучшаемых конструкционных сталей по виду излома ударных образцов после закалки и высокого отпуска, исключающего появление отпускной хрупкости. Критическим сечением считается максимальная толщина изделия с полностью волокнистым изломом. Недостатком этого способа является то, что в сложнолегированных сталях определение процента волокнистой составляющей представляет значительные трудности и не всегда дает точные результаты.