Закалка с полиморфным превращением

В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной и неполной.

1) При неполной закалке сталь нагревают на 30 – 50° выше А_С1, но ниже А_С3 и А_Сm.

2) При полной закалке нагрев осуществляется на 30-50° выше температур (критических точек) А_С3 и А_Сm и при быстром охлаждении достигается мартенситная структура с некоторым количеством остаточного аустенита.

Сталь	Доэвтектоидная	Эвтектоидная	Заэвтектоидная
Исходная структура (при комн. температуре)	феррит+перлит	перлит	перлит+цементитII
Структура при нагреве перед охлаждением (выше температуры А1)	но ниже А3	выше А1	но ниже Аm
феррит+аустенит	аустенит	аустенит+цементитII
Структура после охлаждения	феррит+мартенсит	мартенсит	мартенсит+цементитII
Структура при нагреве в аустенитную область перед охлаждением	– аустенит
Структура после охлаждения	– мартенсит
	мартенсит	мартенсит	мартенсит крупноигольчатый с большим количеством аустенита остаточного

После неполной закалки в доэвтектоидных сталях структура состоит из мартенсита и зерен феррита, а в заэвтектоидных – из мартенсита и округлых зерен вторичного цементита.

Наличие феррита в структуре закаленной доэвтектоидной стали снижает твердость; поэтому такая закалка применяется реже. Наличие избыточного цементита в структуре закаленной заэвтектоидной стали, наоборот, полезно, так как эти стали обычно используют для изготовления инструмента, а округлые включения цементита не только не уменьшают, но даже увеличивают твердость, а следовательно, и износостойкость стали.

Таким образом, для доэвтектоидных сталей рационально применять полную закалку, для заэвтектоидных – неполную.

Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скоростью закалки. Скорость охлаждения определяется видом охлаждающей среды (и определяется по диаграмме изотермического распада аустенита). Наиболее часто в качестве закалочных сред применяются вода (600 °/с), масло (150 °/с), растворы солей и щелочей (до 1000 °/с).

Важнейшими характеристиками сталей являются закаливаемость и прокаливаемость.

Закаливаемость – это способность материала 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.

Прокаливаемость – это способность стали закаливаться на определенную глубину. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр, т.е. максимальный диаметр, который полностью прокаливается в охлаждающей среде.

При закалке любых деталей даже в самых сильных охладителях невозможно добиться одинаковой скорости охлаждения поверхности и сердцевины. Следовательно, если скорость охлаждения сердцевины при закалке будет меньше критической v_кр, то деталь не прокалится насквозь (т.е. там не образуется мартенсит). Поверхность же охлаждается со скоростью, большей v_кр, следовательно, на поверхности образуется мартенсит, обладающий высокой твердостью.

На прокаливаемость оказывают влияние:

– состав стали (содержание углерода и легирующих элементов) – с понижением углерода прокаливаемость падает, легирующие элементы повышают прокаливаемость;

– характер закалочной среды (скорость охлаждения) – уменьшение скорости охлаждения приводит к снижению прокаливаемости.

В результате скоростного охлаждения фиксируется структура с высоким уровнем напряжений, которые складываются из термических напряжений s_терм (возникающих вследствие неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины изделия) и структурных или фазовых напряжений s_структ (связанных с увеличением объема и неоднородности протекания мартенситного превращения по объему изделия).

s_зак.= s_терм. + s_{структ.}

Высокий уровень напряжений может привести к неустранимому браку – образованию трещин.

Поэтому термическое упрочнение состоит из закалки и последующего отпуска. Таким образом, отпуск является заключительной операцией термической обработки, его цель – получение заданного комплекса механических свойств детали, а также полное или частичное устранение закалочных напряжений.

Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск проводят при 150-200°С. Цель – снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости мартенсита при сохранении высокой твердости и износостойкости изделий. Структура – отпущенный мартенсит. При низком отпуске происходит уменьшение степени тетрагональности мартенсита. Рекомендуется для обработки режущего и мерительного инструмента и деталей, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

Средний отпуск проводят при 350-450°С. Цель – некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости. Структура – троостит отпуска, обеспечивающий высокие пределы прочности, упругости и выносливости, а также улучшение сопротивляемости действию ударных нагрузок. Средний отпуск рекомендуется для обработки пружин и рессор.

Высокий отпуск проводят при 550-650°С. Цель – достижение оптимального сочетания прочностных, пластических и вязких свойств. Структура – однородный сорбит отпуска с зернистым строением цементита. При этом происходит улучшение общего комплекса механических свойств, а такая обработка называется улучшением. Рекомендуется для обработки деталей, которые подвергают действию высоких напряжений и ударным нагрузкам.