что такое критическая скорость закалки

Прокаливаемость сталей

Прокаливаемость и критическая скорость охлаждения

При закалке на мартенсит сталь должна охлаждаться с закалочной температуры так, чтобы аустенит, не успев претерпеть распад на ферритокарбидную смесь, переохладился ниже точки М_н. Для этого скорость охлаждения изделия должна быть выше критической.

Критическая скорость охлаждения (критическая скорость закалки) — это минимальная скорость, при которой аустенит еще не распадается на ферритокарбидную смесь.

В первом приближении критическая скорость закалки определяется наклоном касательной к С-кривой начала распада аустенита. При таком определении получается величина, примерно в 1,5 раза превышающая истинную критическую скорость.

В Кинетике фазовых превращений отмечалось, что при наложении кривых охлаждения на С-диаграмму изотермических превращений нельзя проводить строгих количественных расчетов температур начала и конца превращения исходной фазы при непрерывном охлаждении. Выше точки касания кривой υ_кр к С-кривой превращение развивается более вяло, чем при температуре, соответствующей точке касания.

Следовательно, за время, равное инкубационному периоду при температуре точки касания, непрерывно охлаждающийся аустенит еще не начнет распадаться. Поэтому истинная критическая скорость меньше той, которая определяется по тангенсу угла наклона касательной к С-кривой начала изотермического распада. Истинную величину υ_кр можно получить при использовании термокинетических диаграмм (смотрите Кинетика фазовых превращений и Нагрев и охлаждение при закалке без полиморфного превращения).

Определение критической скорости закалки по С-диаграмме

Определение критической скорости закалки по С-диаграмме: υ_ц и υ_п — скорости охлаждения центра и поверхности изделия:

1 — начало распада аустенита;
2 — окончание распада аустенита.

Поверхность изделия всегда охлаждается быстрее, чем центр. Скорость охлаждения на поверхности может быть больше критической, а в центре — меньше. В этом случае аустенит в поверхностных слоях превратится в мартенсит, а в центре изделия испытывает перлитное превращение, т. е. деталь не прокалится насквозь.

Прокаливаемость — одна из важнейших характеристик стали. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны.

Прокаливаемость зависит прежде всего от критической скорости охлаждения. На рисунке изображена кривая распределения скоростей охлаждения по диаметру цилиндрического образца в сопоставлении с величиной критической скорости. Кольцевой объем около поверхности изделия охлаждается со скоростью больше критической, и поэтому он закален на мартенсит.

Сердцевина цилиндра охлаждается со скоростью меньше, чем критическая, и поэтому она не закалена на мартенсит.

В массивной детали большого сечения после закалки можно наблюдать всю гамму структур: плавный переход от мартенсита около поверхности через троостомартенсит, троостит и сорбит до перлита в центре.

Прокаливаемость цилиндра

а — несквозная прокаливаемость;
б — сквозная прокаливаемость;
1 — кривая распределения скоростей охлаждения по диаметру цилиндра;
2 — критическая скорость охлаждения (заштрихован слой, закаленный на мартенсит).

Если центр изделия охлаждается со скоростью больше критической, то деталь закаливается на мартенсит насквозь. Как видно на рисунке, для увеличения прокаливаемости детали данного сечения необходимо или повышать скорость охлаждения (кривая 1 сдвигается вверх), или понижать критическую скорость закалки: и в том, и в другом случае затрихованное сечение закаленной зоны будет возрастать.

Критическая скорость охлаждения зависит от всех факторов, влияющих на скорость распада аустенита. Факторы, увеличивающие стойкость переохлажденного аустенита против распада, т. е. сдвигающие С-кривые вправо, увеличивают прокаливаемость (при сдвиге С-кривой вправо касательная к ней располагается под меньшим углом).

Устойчивость переохлажденного аустенита против эвтектоидного распада зависит от его гомогенности, размера действительного зерна и химического состава, от присутствия нерастворенных карбидов и других включений в стали и от малых количеств примесей, в том числе и неконтролируемых.

Так как для зарождения эвтектоида необходимы местные обогащения и обеднения γ-раствора углеродом, то чем однороднее аустенит, тем более устойчив он против эвтектоидного распада и тем больше прокаливаемость.

С укрупнением действительного аустенитного зерна уменьшается суммарная межзеренная поверхность, на которой предпочтительно начинается распад, и прокаливаемость увеличивается.

Увеличение температуры нагрева и времени выдержки перед закалкой приводит к выравниванию концентрации γ-раствор а и к росту аустенитного зерна, т. е. повышает устойчивость переохлажденного аустенита. Поэтому с ростом температуры нагрева и выдержки перед закалкой прокаливаамость стали увеличивается, причем первый фактор более эффективен.

Для увеличения прокаливаемости совершенно необязательно закаливать сталь с повышенной температуры.

Выравнивание концентрации γ-раствора и укрупнение его зерна — необратимые процессы. Если сталь была нагрета до высокой температуры, а затем медленно охлаждена в аустенитной области до нормальной температуры закалки, то прокаливаемость также возрастает.

Очень сильно на прокаливаемость влияет химический состав аустенита. С повышением концентрации углерода в аустените он делается устойчивее и критическая скорость закалки уменьшается. Наименьшей критической скоростью, т. е. наилучшей прокаливаемостью, обладают стали, состав которых близок к эвтектоидному.

Зависимость критической скорости охлаждения

Зависимость критической скорости охлаждения при закалке
от содержания углерода (Эссер).

Повышение критической скорости у заэвтектоидных сталей объясняется тем, что они закаливаются не из аустенитной области, а с температур выше А₁, но ниже А_ст (смотрите ниже рисунок Интервал температур нагрева под закалку углеродистых сталей). С увеличением содержания углерода в заэвтектоидной стали концентрация его в аустените при нормальной температуре закалки (А₁ + З5 — 60 °С) не повышается, а количество цементита растет. Частицы цементита, являясь затравкой для перлитного превращения, уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита.

Поэтому с повышением содержания углерода в заэвтектоидной стали критическая скорость закалки возрастает. Если заэвтектоидные стали закаливать с температур выше А_ст (из аустенитной области), то критическая скорость охлаждения будет непрерывно уменьшаться с увеличением содержания углерода в стали, так как при этом повышается концентрация углерода в аустените.

Прокаливаемость углеродистой стали значительно возрастает при введении в нее сотых и тысячных долей процента бора. Бор, являясь поверхностно активным элементом в растворе, концентрируется по границам зерен аустенита и снижает здесь поверхностную энергию, что затрудняет предпочтительное образование центров распада по границам зерен, и переохлажденный аустенит становится устойчивее. Поэтому введение малых количеств бора в углеродистую сталь повышает ее прокаливаемость.

Сталь одной марки, но разных плавок обладает различной прокаливаемостью, что объясняется различием в размере аустенитного зерна, влиянием неконтролируемых количеств растворенных примесей и включений оксидов, нитридов, сульфидов и др.

За исключением кобальта, все легирующие элементы, растворенные в аустените, затрудняют его распад, уменьшают критическую скорость закалки и улучшают прокаливаемость.

Природа замедления распада аустенита под влиянием легирующих элементов обсуждена в Диффузионных превращениях аустенита при охлаждении. Для улучшения прокаливаемости широко используют добавки марганца, никеля, хромай молибдена. Особенно эффективно комплексное легирование, при котором полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается. Например, для стали с 0,4% С и 3,5% Ni критическая скорость закалки равна 160 град/с, а добавляемые 0,76% Мо снижает эту скорость примерно до 4 град/с.

Влияние легирующих элементов

Влияние легирующих элементов на критическую скорость закалки
стали, содержащей 0,9 — 1% С (Эссер).

Карбидообразующие элементы увеличивают прокаливаемость лишь в том случае, если они при температуре закалки растворены в аустените. Если же температура закалки недостаточно высока, то нерастворившиеся карбиды, являясь центрами распада аустенита, ухудшают прокаливаемость.

Увеличение прокаливаемости при легировании используют в двух направлениях. Во-первых, применение легированной стали обеспечивает сквозную прокаливаемость в таких больших сечениях, которые невозможно прокалить насквозь, если использовать углеродистую сталь. Например, при закалке в воде стали 45 критический диаметр (смотрите Режимы закалки без полиморфного превращения сплавов на разной основе) равен 20 мм, в то время как изделия из стали 40XHMA диаметром 120 мм прокаливаются насквозь при охлаждении в масле.

Во-вторых, для изделий небольшого сечения замена углеродистой стали легированной позволяет перейти к менее резкому закалочному охлаждению. Применяя углеродистую сталь, можно прокалить насквозь изделие небольшого сечения, если применять закалку в воде.

Но при этом могут возникнуть недопустимо большие остаточные напряжения, а также коробление и трещины, особенно в изделиях сложной формы. Применение легированной стали позволяет заменить закалку в воде более мягкой закалкой в эмульсии, масле или даже на воздухе.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Источник

Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали

Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали

Этот вопрос удобнее выяснить на примере эвтектоидной стали (С = 0,8%). Из этой стали изготавливается серия образцов, все они нагреты до аустенитного состояния, т.е. выше 727°С и в дальнейшем каждый образец охлаждается с разной скоростью (рис. 38).

Рис. 38. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали с наложенными на нее кривыми охлаждения:

а – общий вид; б – получаемые структуры

Превращение аустенита при температурах 550°С и выше называется перлитным превращением, при 550°С…МН – мартенситным (МН – начало, МК – конец мартенситного превращения).

Перлитное превращение. В интервале температур перлитного превращения образуются пластинчатые структуры из кристаллов феррита и цементита, которые отличаются степенью дисперсности частиц Ф и Ц.

Дисперсность перлитных структур оценивается межпластинчатым расстоянием S соседних пластинок феррита и цементита (рис. 39).

Чтобы не спутать цементит с ферритом используют специальный травитель – пикрат натрия, который окрашивает цементит в черный цвет. Феррит при этом не окрашивается, т.е. остается светлым.

Рис. 39. Феррито-цементитная структура

Если превращение идет при температурах 650–670°С, то образуется перлит, S = 6·10-4 мм.

При температурах превращения 640–590°С образуется сорбит,

При температурах превращения 580–550°С образуется троостит, S = 1´10-4 мм.

Как видно из опыта с увеличением скорости охлаждения зерна феррито-цементитной смеси измельчаются все сильнее, что резко влияет на свойства. Так, например, у перлита НВ 2000, у сорбита НВ 3000. а у троостита НВ 4200, МПа.

Промежуточное (бейнитное) превращение. В результате промежуточного превращения образуется бейнит, представляющий собой структуру, состоящую из a-твердого раствора несколько пересыщенного углеродом и частиц цементита. Бейнитное превращение сочетает в себе элементы перлитного и мартенситного превращений. В аустените образуются объемы, обогащенные и обедненные углеродом. Обедненные углеродом участки аустенита претерпевают g ® a превращение бездиффузионным путем (мартенситным). В объемах аустенита, обогащенных углеродом, при t = 400–550°С происходит выделение частиц цементита. При t Читайте также: Обычный и калиброванный стальной шестигранник: отличия и преимущества

Мартенсит образуется только из аустенита в результате сильного переохлаждения последнего со скоростью не менее критической скорости закалки (Vкр = – касательная к диаграмме, см. рис. 38, а).

Мартенситные пластины (иглы) образуются почти мгновенно, со скоростью более 1000 м/с, только в пределах аустенитного зерна и не переходят границу между зернами. Поэтому размер игл мартенсита зависит от размера зерен аустенита. Чем мельче зерна аустенита, тем мельче иглы мартенсита и структура характеризуется как крупноигольчатый или мелкоигольчатый мартенсит. Решетка мартенсита тетрагональная, т.е. периоды с > а (рис. 40).

Рис. 40. Микроструктура и кристаллическая решетка мартенсита

Механизм мартенситного превращения состоит в том, что при температурах ниже МН решетка аустенита, хорошо растворяющая углерод (до 2014%С) оказывается неустойчивой, и перестраивается в решетку Feα, способность которой растворять углерод, очень мала (до 0,02%).

Из-за большой скорости охлаждения весь углерод, находящийся в аустените (ГЦК решетка) остается зафиксировать в Feα(ОЦК решетка), где места для его размещения нет. Поэтому избыточный углерод искажает решетку, вызывает появление больших внутренних напряжений и, как следствие, твердость и прочность растут, а ударная вязкость и пластичность падают.

Аустенитно-мартенситное превращение сопровождается увеличе- нием объема. Все структуры стали можно расположить (от максимального объема к минимальному) в следующий ряд: мартенсит – троостит – сорбит – перлит – аустенит.

Отличие от перлитного превращения:

1) большая скорость превращения;

2) превращение бездиффузионное, т.е. без предварительного выде- ления углерода и образования Fe3C;

3) начинается превращение в точке МН и заканчивается в точке МК, причем положение этих точек зависит только от химического состава сплава;

4) в структуре мартенсита всегда есть небольшое количество остаточного непревращенного аустенита (до 4%);

5) решетка мартенсита тетрагональная (а = b ¹ с).

Виды термической обработки. Термической обработкой называется такая технологическая операция, при которой путем нагрева сплава до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующего охлаждения происходят структурные изменения, вызывающие изменения свойств металлов.

Термическая обработка проводится обычно в тех случаях, когда наблюдаются:

1) полиморфные превращения;

2) ограниченная и переменная (увеличивающаяся с температурой) растворимость одного компонента в другом в твердом состоянии;

3) изменение строения металла под влиянием холодной деформации.

Основными параметрами режимов термической обработки являются: температура и скорость нагрева, продолжительность выдержки при заданной температуре, скорость охлаждения.

Температура нагрева стали зависит от положения критических точек, вида термической обработки и назначается на основании анализа диаграммы состояния сплава.

Скорость нагрева зависит от химического состава сплава, размера и формы обрабатываемых деталей, массы садки, характера расположения деталей в печи, типа нагревательного устройства и т.д.

Выдержка при заданной температуре необходима для завершения фазовых превращений, происходящих в металле, выравнивания концентрации по всему объему детали. Время нагрева (40) складывается из времени собственного нагрева tн(2) и времени выдержки tв:

где tв принимается равным 1 мин на 1 мм толщины для углеродистых сталей и 2 мин для легированных.

где D– размер наибольшего сечения (размерная характеристика); K1– коэффициент среды (для газа – 2, соли – 1, металла – 0,5); K2 – коэффициент формы (для шара – 1, цилиндра – 2, пластины – 4, параллелепипеда – 2,5); K3– коэффициент равномерного нагрева (всесторонний – 1, односторонний – 4).

Скорость охлаждения зависит, главным образом, от степени устойчивости аустенита, т.е. от химического состава стали, а также от структуры, которую необходимо получить.

В зависимости от скорости охлаждения углеродистой стали получают следующие структуры: феррит с перлитом, перлит, сорбит, тростит, мартенсит.

Согласно диаграмме состояния Fe-Fe3C, температурные точки, образующие линию PSK, обозначаются А1; линию GS – A3; линию ES – Аст. если рассматривается процесс нагрева, то перед цифровым индексом ставят букву С (АС1, АС3), а если в случае охлаждения r(Аrз, Ar1).

Углеродистые стали подвергаются следующим видам термической обработки: отжигу, нормализации, закалке и отпуску.

Отжиг стали. Цель отжига:

1) исправление структуры после горячей обработки (ковки, литья);

2) снижение твердости для облегчения обработки резанием;

3) снятие внутренних напряжений;

4) подготовка структуры к последующей термической обработке и холодной штамповке;

5) уменьшение химической неоднородности.

При полном отжиге сталь нагревается выше линии АС3 на 30–50°С, выдерживается нужное время при этой температуре и затем медленно охлаждается, как правило, вместе с печью (рис. 41).

При нагреве выше точки АС3 происходит перекристаллизация, в результате чего зерна измельчаются, внутренние напряжения устраняются, сталь становится мягкой и вязкой. Полному отжигу подвергают преимущественно доэвтектоидные стали.

В случае нагрева этих сталей ниже АС3 часть зерен феррита остается в том же виде, в каком он был до отжига (большие размеры, пластинчатая форма), что приводит к понижению вязкости стали.

При неполном отжиге сталь нагревается выше линии АС1 на 30–50°С и после выдержки медленно охлаждается вместе с печью. При неполном отжиге происходит лишь частичная перекристаллизация (перлит-аустенит). Этот вид применяется для заэвтектоидных сталей.

Нагрев этих сталей выше линии Aсm(аустенитное состояние) нецелесообразен, так как растворенный в аустените цементит при последующем охлаждении будет выделяться по границам зерен перлита в виде сетки, что резко снижает пластичность и делает сталь хрупкой.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) применяется для выравнивания химической неоднородности по объекту кристалла в крупных отливках. Он проводится при температуре 1050–1150°С и при более длительных выдержках (10–18 ч).

Рекристаллизационный отжиг применяется при снятии наклепа и внутренних напряжений в стали после холодной обработки давлением (прокатка, штамповка, вытяжка и др.). Для углеродистых сталей этот вид отжига проводится при температуре 650–690°С. В результате чего твердость понижается, а пластичность растет.

Рис. 41. Оптимальные температуры нагрева при различных видах отжига

Нормализация стали. Вид термической обработки, состоящий в нагреве стали на 30–50°С выше линии GSE(Аcз и Аcm), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на спокойном воздухе называется нормализацией стали.

Цель нормализации – измельчение зерна, улучшение механических свойств, подготовка структуры для окончательной обработки (закалки и отпуска).

По сравнению с отжигом, скорость охлаждения при нормализации значительно выше, поэтому распад аустенита идет при больших переохлаждениях, что приводит к образованию мелкозернистых продуктов распада – феррита и перлита, и, следовательно, повышению твердости.

Нормализация, как вид термической обработки, применяется главным образом для низкоуглеродистых строительных сталей. Нормализацией устраняется цементитная сетка в заэвтектоидных сталях при подготовке их к закалке.

Закалка стали. Вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до температуры выше линии АС3 (доэвтектоидной стали) или АС1 (заэвтектоидной стали) на 30–50°С, выдержке при данной температуре и последующем быстром охлаждении в воде или масле (рис. 42) называется закалкой.

Рис. 42. Оптимальные температуры нагрева под закалку углеродистых сталей

Цель закалки – повышение твердости, прочности и износостойкости стали за счет получения структуры мартенсита, имеющего характерное игольчатое строение.

Для превращения аустенита в мартенсит скорость охлаждения должна быть больше критической скорости закалки Vкр.

Критической скоростью закалки называется наименьшая скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до мартенситного превращения. Если скорость охлаждения будет меньше Vкр, аустенит распадается на феррито-цементитную смесь (тростит, сорбит, перлит, см. рис. 38).

Требуемая скорость охлаждения обеспечивается подбором охлаждающей среды. В производственной практике для закалки применяют воду, минеральные масла, водные растворы солей, щелочи. Основным преимуществом масел по сравнению с водой является медленное охлаждение в мартенситной области (ниже 300°С), вследствие чего закалка в масле дает меньшую деформацию, напряжения и склонность к образованию закалочных трещин.

Различают полную и неполную закалку стали. При полной закалке сталь нагревается на 30–50°С выше критической точки АС3. Доэвтектоидные стали обязательно подвергают полной закалке, т.е. нагревают до полного перехода феррито-перлитной структуры в аустенитную. При последующем охлаждении со скоростью выше критической сталь приобретает структуру мартенсита.

Недогрев доэвтектоидной стали до точки АС3 приводит к сохранению в структуре закаленной стали наряду с мартенситом некоторого количества феррита и, следовательно, к заниженным механическим свойствам после закалки. Такую закалку называют неполной, и для доэвтектоидной стали она является пороком (рис. 43, б).

Рис. 43. Структурные превращения в доэвтектоидной стали при закалке:

а – полная закалка; б – неполная закалка

При неполной закалке заэвтектоидной стали (нагрев выше точки АС1, но ниже точки Асm) оставшийся нерастворенным цементит повышает твердость стали после закалки, так как является упрочняющей фазой. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше линии Асm, то в ее структуре будет крупноигольчатый мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита (см.рис. 44, б). Таким образом, если для доэвтектоидных сталей неполная закалка является дефектом, то для заэвтектоидных – основным видом закалки.

Отпуск стали. Вид термической обработки, состоящий из нагрева закаленной на мартенсит стали до температуры ниже линии PSK (АС1), выдержке при этой температуре и последующего охлаждения называется отпуском.

Нагрев стали при отпуске облегчает переход из метастабильного состояния пересыщенного a-твердого раствора в более устойчивое. При отпуске с повышением температуры в закаленной стали происходит выделение углерода из мартенсита, что сопровождается уменьшением кристаллической решетки, образованием и коагуляцией (укрупнением) частичек цементита.

С повышением температуры отпуска предел прочности и твердость понижаются, а пластичность и ударная вязкость растут.

Рис. 44. Структурные превращения в заэвтектоидной стали при закалке:

а – неполная закалка; б – полная закалка

В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к изделиям на практике, применяют следующие виды отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск характеризуется невысокими температурами нагрева (150–250°С) и применяется для изделий, где требуется высокая твердость (HRC 56–64) и износостойкость. Низкий отпуск незначительно уменьшает твердость закаленной стали и увеличивает вязкость, снимая внутренние напряжения в изделиях. Свойства стали после отпуска зависят не только от температуры нагрева, но и от продолжительности выдержки. Низкий отпуск применяют для режущего инструмента, зубил, валков, калибров, шаблонов, изделий из цементуемых сталей.

Структура сталей после низкого отпуска – отпущенный мартенсит.

Средний отпуск характеризуется нагревом закаленной стали до температуры 300–400°С и обеспечивает относительно высокую твердость HRС 40–54 и максимальный предел упругости при достаточной прочности. Этот вид отпуска применяется для пружин, рессор, штампов, ударного инструмента и т.д. Структура изделий после среднего отпуска – тростит отпуска.

Высокий отпуск осуществляется нагревом закаленной стали до 500–600°С и применяется для изделий из конструкционных сталей, подвергаемых воздействию высоких динамических, знакопеременных или статических напряжений. Структура стали после высокого отпуска сорбит отпуска.

Способы закалки сталей

На практике применяются различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (схема ниже).

Схема: Скорости охлаждения при разных способах закалки сталей

Непрерывная закалка стали

Непрерывная закалка (1) – способ охлаждения деталей в одной среде. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Данная технология самая распространенная, широко применяется в условиях массового производства. Подходит практически для всех типов конструкционных сталей.

Закалка в двух средах

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке (скорость 3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем температура мартенситного превращения. Таким образом получается некая изотермическая выдержка перед началом превращения аустенита в мартенсит. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всему сечению детали. Затем следует окончательное охлаждение, во время которого и происходит превращение мартенситное превращение. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями. Изотермическую выдержку можно сделать чуть ниже температуры Мн, уже после начала мартенситного превращения (скорость 6). Такой способ более затруднителен с технологической точки зрения.

Изотермическая закалка сталей

Изотермическая закалка (скорость 4) делается для получения бейнитной структуры стали. Данная структура характеризуется отличным сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке детали охлаждают в ванне с расплавами солей, которые имеют температуру на 50–150 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до конца превращения аустенита в бейнит, а затем охлаждают на воздухе.

При закалке на бейнит возможно получение двух разных структур: верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит имеет перистое строение. Он образуется в интервале 500-350°С и состоит из частиц феррита в форме реек толщиной

Источник