Прокаливаемость и закаливаемость стали.

Прокаливаемостью называют способность стали закаливаться на мартенсит на определенную глубину по сечению детали. Это важнейший фактор, влияющий на конструкционную прочность стали. Прокаливаемость одной и той же стали может меняться в зависимости от колебаний химсостава, температуры нагрева под закалку, размеров и конфигураций детали. Поэтому в справочниках прокаливаемость стали часто характеризуется полосой прокаливаемости.

Прокаливаемость стали определяют по стандартной методике, которая включает в себя торцевую закалку образца из исследуемой стали, построение диаграмм прокаливаемости и определение критического диаметра по специальной номограмме. Критическим диаметром (Д_КР,мм) считается сечение, прокаливающееся либо насквозь, либо до полумартенситной структуры в сердцевине при закалке стали в данном охладителе. Чем больше значение Д_КР, тем выше прокаливаемость стали.

Наибольшее влияние на прокаливаемость стали оказывает ее химический состав. При увеличении содержания углерода до 0,8% прокаливаемость углеродистых конструкционных сталей возрастает. Легирующие элементы, растворяющиеся в аустените при нагреве стали под закалку (Mn,Cr,Mo,Ni,Si,B),уменьшают критическую скорость закалки стали, за счет чего прокаливаемость возрастает. Легирующие элементы, образующие тугоплавкие карбиды (Ti,V,Nb,W) прокаливаемость стали уменьшают. Тугоплавкие карбиды TiC,VC,WC тормозят рост аустенитных зерен при нагреве стали, что обуславливает мелкий размер действительного аустенитного зерна.

Это размер зерна, соответствующий заданной температуре нагрева стали при закалке. Чем он меньше, тем меньше прокаливаемость стали, т.к. критическая скорость закалки мелкозернистых сталей выше, чем у крупнозернистых. Однако, несмотря на более высокуюпрокаливаемость крупнозернистых сталей, их не применяют для высоконагруженных деталей машин. Это объясняется низкой ударной вязкостью, повышенным порогом хладноломкости, недостаточной трещиностойкостью и склонностью к деформации и короблению крупнозернистых сталей.

Для высоконагруженных деталей рекомендуется применять мелкозернистые стали, для повышения прокаливаемости которых целесообразно комплексное легирование Mn,Cr,Mo,Ni,Si,B.

На прокаливаемость стали значительное влияние оказывает интенсивность ее охлаждения при закалке, которая зависит от степени циркуляции охлаждающей среды. Значение критического диаметра (Д_КР) может увеличиваться в 1,5-2 раза при увеличении степени циркуляции от слабой до интенсивной. При закалке стали в условиях серийного производства применяют автоматизированные закалочные устройства (баки, ванны), где обеспечивается требуемая степень циркуляции охлаждающей среды.

Закаливаемостьюназывают способность стали повышать свою твердость при закалке на мартенсит. Закаливаемость прямо пропорционально зависит от содержания в стали углерода и влияет на контактную выносливость и износостойкость стальных деталей; чем больше закаливаемость, тем выше эти свойства. Легирующие элементы прямого влияния на закаливаемость не оказывают, а могут влиять лишь косвенно, уменьшая или увеличивая концентрацию углерода в мартенсите.

Контрольные вопросы.

1. Что называют термообработкой (т/о)? Укажите основные параметры т/о. Что называют критическими температурами? Как обозначаются критические температуры при нагреве стали? Назовите основные режимы т/о для сталей.

2. Как обозначаются критические температуры при нагреве и охлаждении стали? Какое превращение происходит при нагреве стали 50 до ? Влияет ли температура нагрева на скорость этого превращения и если да, то как? Какое превращение происходит при охлаждении стали 50 до ?

3. Что называют аустенитизацией? Используя обозначения критических температур, укажите оптимальные температуры аустенитизации для стали 50 и для стали У10. Как различают стали в зависимости от склонности к росту аустенитных зерен при нагреве стали? К какому типу относят стали, легированные титаном или ванадием и почему?

4. Чем отличается перлит от сорбита и троостита закалки и что является причиной этого различия: температура нагрева или скорость охлаждения стали? Как называют режимы т/о, в результате которых в стали формируется перлитная структура или структура сорбита закалки? Какова цель обработки стали по этим режимам?

5. Что называют закалкой и каковы ее цели? Дайте определение мартенсита. Укажите основные условия получения этой структуры при закалке стали. Для каких сталей следует применять полную, а для каких – неполную закалку, в чем их отличие? Как влияет на свойства мартенсита количество углерода в стали?

6. Что называют отпуском? Укажите виды и температуры отпуска. Какой вид отпуска следует применять для закаленных сталей, если следует обеспечить: а) высокую износостойкость и контактную выносливость; б) высокие упругие свойства; в) хорошую ударную вязкость?

7. Какие факторы влияют на прокаливаемость стали? В какой зависимости находится устойчивость переохлажденного ниже температуры А₁ аустенита и критическая скорость закалки стали? У какой из сталей – 20ХНМ и сталь 60 больше прокаливаемость, а у какой закаливаемость? Объясните ваш выбор.

8. Определить режим термообработки стали 45, если известно, что после термообработки структура стали- сорбит отпуска. Какие свойства придает стали эта структура?

9. Определить режим термообработки (т/о) стали У10, если известно, что структура после т/о – мартенсит отпуска + карбиды. Какими свойствами обладает сталь с такой структурой?

10. Какой термообработке следует подвергать детали рессорно-пружинной группы, из стали 65? Какая структура стали образуется при этом? Какие свойства указанных деталей обеспечиваются в результате?

11. Какую сталь следует использовать для изготовления высоконагруженного вала диаметром 40мм: сталь с Д_к.р.=46мм, или сталь с Д_к.р.=12мм? Объясните ваш выбор.

12. Что называют отпускной хрупкостью? В чем причины отпускной хрупкости? Определите, какая из нижеуказанных сталей не подвержена отпускной хрупкости при температуре отпуска 500…600°С: 40Х (0,4%С, 1%Cr); 40Г (0,4%С, 1%Mn); 40ХНМ ( 0,4%С, по 1% Cr и Ni, 0,3% Mo)?

13. Что называют улучшением? Какие свойства отличают детали, подвергнутые улучшению?

14. Что происходит при промежуточном превращении переохлажденного аустенита? Какая структура образуется при указанном превращении? Какими свойствами обладает сталь с такой структурой?

Литература.

1. И.И. Новиков. «Теория термической обработки металлов». Учебник для ВУЗов. М. «Металлургия». 1985г.

2. Г.М. Волков, В.М. Зуев. «Материаловедение». Учебник для ВТУзов. М. «Академия». 2008 г.

3. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева. «Материаловедение». Учебник для ВУЗов. М., изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2002г.

4. Термическая обработка в машиностроении. Справочник. М. «Машиностроение». 2000г.