ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ЗАКАЛКЕ

1. Тепловые напряжения.

2. Фазовые напряжения.

3. Изотермическая закалка.

4. Закалочные среды.

При закалке металлов возникают внутренние напряжения. Причины могут быть различными. Неравномерное охлаждение поверхности и сердцевины изделий вызывает напряжения, называемые тепловыми. Из-за изменений объема, а также неоднородности протекания мартенситного превращения по объему изделия возникают напряжения, называемые структурными или фазовыми.

Тепловые напряжения для процесса охлаждения отожженной стали от температуры ниже Ас₁ (727⁰С) характерны. Только фазовые напряжения в этом случае отсутствуют.

При быстром охлаждении распределение температур по сечению изделия неодинаково и изменение объема также неравномерно. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние. Но, этому процессу препятствуют внутренние слои, вследствие чего в поверхностных слоях образуются временные (исчезающие после снятия нагрузки) растягивающие напряжения. Во внутренних слоях одновременно возникают сжимающие напряжения. Даже тогда, когда поверхность охладится и прекратится изменение объема, сердцевина еще будет испытывать тепловое сжатие. Напряжения начнут уменьшаться, и, в какой-либо момент произойдет изменение знака напряжений на поверхности и в сердцевине.

После окончательного охлаждения на поверхности получаются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине – напряжения растяжения (рис. а).

Эпюры остаточных напряжений:

а) тепловые б) структурные в) суммарные

Появление остаточных напряжений – это результат того, что временные напряжения вызывают как упругую, так и пластическую деформацию слоев по сечению.

2. Фазовые и суммарные напряжения.

Рассмотрим условия возникновения фазовых напряжений при полной прокаливаемости (без учета тепловых напряжений).

Когда при закалке достигается температура ниже т. Мн, мартенсит в 1-ую очередь образуется на поверхности, т.к. здесь т. Мн будет достигнута раньше, чем в сердцевине. Известно также, что превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема, поэтому на поверхности возникают временные сживающие напряжения, а во внутренних слоях – растягивающие напряжения. С развитием превращения знак напряжений на поверхности и в сердцевине изменяется.

По сравнению с тепловыми напряжениями структурные изменяются в обратном порядке. В результате мартенситного превращения на поверхности образуются остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине – напряжения сжатия (рис. б). Эти остаточные напряжения, как и тепловые, возникают в результате появления под действием временных напряжений не только упругой, но и неодинаковой по сечению остаточной деформации.

При закалке стали возникают как тепловые, так и фазовые напряжения одновременно, поэтому их суммируют (рис. в). В данном случае (согласно приведенной схеме) тепловые напряжения больше структурных, поэтому на поверхности образуются напряжения сжатия.

В зависимости от соотношения между тепловым и структурными напряжениями могут получиться различные эпюры суммарных напряжений. Напряжения в поверхностных слоях могут иметь различный знак и величину. Часто величина фазовых напряжений больше тепловых.

Следует отметить, что остаточные напряжения всегда меньше временных напряжений, образующихся в процессе охлаждения.

Если металл мало пластичен и величина напряжений превышает сопротивление отрыву, то в результате происходит образование трещин. Наиболее опасны при этом растягивающие напряжения на поверхности, способствующие образованию трещин и снижающие предел выносливости стали.

Растягивающие напряжения возникают в основном вследствие структурных напряжений, которые стремятся уменьшить. Структурные напряжения тем больше, чем выше температура закалки и скорость охлаждения в интервале температур Мн и Мк. Чтобы снизить структурные напряжения, замедляют скорость охлаждения ниже т. Мн и избегают перегрева стали.