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

Под прокаливаемостью понимают способность стали закаливать­ся на определенную глубину. Прокаливаемостъ является одним из главных факторов, определяющих свойства стали. Сталь, использу­емая для ответственных деталей и конструкций, должна иметь высо­кую прокаливаемостъ.

Для получения структуры мартенсита при закалке необходимо, чтобы реальная скорость охлаждения стали была выше некоторой критической скорости V_кр. Под критической скоростью понимают та­кую минимальную скорость закалки, при которой аустенит превраща­ется в мартенсит, а не распадается на феррито-цементитную смесь. Для различных материалов критические скорости закалки различны. При закалке детали реальная скорость охлаждения уменьшается по мере удаления от поверхности. Наибольшей она получается на поверхности, наименьшей - в центре сечения.

Если скорость охлаждения в центре сечения окажется больше критической для данной стали, то деталь закалится по всему сече­нию, т. е. прокалится насквозь (рис. 1а). Если же скорость ох­лаждения в центре меньше критической, то сердцевина де­тали окажется не прокалившейся (рис. 1б).

Рисунок 1 – Схема прокаливаемости цилиндрического образца: а) сквозная прокаливаемость, 6) несквозная прокаливаемостъ. 1 – кривая распределения реальных скоростей охлаждения по диаметру цилиндра; 2 – критическая скорость охлаждения; 3 – слой, закаленный на мартенсит

Прокаливаемость стали тем выше, чем больше реальная ско­рость охлаждения и ниже V_кр. Основные факторы, увеличивающие реальную скорость охлаждения: чисто­та поверхности детали (отсутствие окалины и обезуглероженного слоя), а также среда, обеспечивающая достаточно интенсивное охлажде­ния и т. д.

Факторы, снижающие V_кр и повышающие прокаливаемость:

1. Все легирующие элементы, растворенные в аустените, за исключением кобальта уменьшают критическую скорость охлаждения и повышают прокаливаемость стали. Наиболее эффективным является использование комплексного легирования. В этом случае положительное влияние отдельных элементов на прокаливаемость увеличивается.

2. С повышением содержания углерода аустенит становится более устойчивым к распаду, т. е. критическая скорость охлаждения уменьшается. Наименьшей критической скоростью и наилучшей прокаливаемостъю обладают стали, близкие по составу к эвтектоидной. Зазвтектоидные стали имеют более высокую критическую скорость охлаждения, так как перед закалкой их структура состоит из аустенита и вторичного цементита, который снижает устойчивость аустенита (облегчает образование феррито-цементитной смеси).

3. Чем однороднее аустенит, тем более он устойчив против распада на феррито-цементитную смесь, т. е. тем ниже V_кр и больше прокаливаемость.

4. С увеличением величины зерна аустенита уменьшается суммарная межзеренная поверхность, на которой начинается эвтектоидный распад, и прокаливаемость увеличивается.

Легирование стали является самым сильным фактором, влияющим на прокаливаемость. Во-первых, повышение степени легированности обеспечивает сквозную прокаливаемость в больших сечениях. Во-вторых, использование легированных сталей вместо углеродис­тых позволяет проводить их закалку в масле и даже на воздухе, что снижает закалочные напряжения.

В зависимости от прокаливаемости все конструкционные стали можно разделить на три группы:

1. Стали пониженной прокаливаемости. Сквозная прокаливаемостъ достигается закалкой в воде при диаметре цилиндрических образцов 10-15 мм. К этой группе отно­сятся углеродистые и низколегированные стали с содержанием ле­гирующих элементов 3-4 %.

2. Стали средней прокаливаемости. Сквозная прокаливаемость достигается закалкой в масле при диаметре цилиндрических образцов 100-150 мм. К этой группе от­носятся легированные стали с содержанием легирующих элементов 6-12 %.

3. Стали высокой прокаливаемости. Сквозная прокаливаемость достигается закалкой в масле цилиндрических образцов, диаметром > 200 мм. Это высоколе­гированные стали с содержанием легирующих элементов 12-30 %.

Диаметр цилиндрического образца, который в данном охладите­ле прокаливается насквозь, называется критическим диаметром. Критический диаметр служит характеристикой прокаливаемости ста­ли.

Другой простейшей характеристикой прокаливаемости стали в определенном охладителе служит глубина прокаливаемости.

За глу­бину прокаливаемости конструкционных сталей условно принимают расстояние от поверхности детали до слоя с полумартенситной структурой (50 % троостита и 50 % мартенсита).

Глубину прокаливаемости легко определить, измеряя твердость от поверхности вглубь изделия, и имея справочные данные о твер­дости сталей разного состава с полумартенситной структурой (HRC^пм в табл. 1).

Для определения прокаливаемости сталей приме­няют стандартный метод торцевой закалки. Метод заключается в том, что специальный цилиндрический образец нагревают до темпе­ратуры закалки, выдерживают при этой температуре 30-50 мин, а затем в специальной установке закаливают с торца струей воды (рис. 2). Установка должна быть помещена недалеко от печи, чтобы можно бы­ло быстро перенести об­разец из печи в установ­ку. Перед испытанием по холодному образцу регу­лируют точность попада­ния струи воды в торец. Образец выдерживают над струей воды до пол­ного охлаждения (не ме­нее 10 мин). После охлаждения образца по его двум диаметрально противоположным образующим сошлифовывают две лыски на глубину 0,5 мм. Измеряют твердость стали на приборе Роквелла по шкале НRС через 1,5-3 мм по длине лысок.

Таблица 1 – Твердость полумартенситной структуры (50% мартенсита и 50% троостита) в углеродистых и легированных сталях

Рисунок 2 – Установка для торцевой закалки образцов: 1 – образец; 2 – штатив; 3 – сопло; 4 – сливная коробка

Заканчивают измерение твердости, когда на определенном расстоянии от торца определяемая твердость не меняется. Аналогичные замеры твердости производят на второй плоскости. Значения твердости заносят в протокол. Вычислив среднее арифметическое твердости каждой пары точек, находящихся на одинаковом расстоянии от торца, строят кривую прокаливаемости в координатах «Твердость (HRC) – расстоя­ние от торца (L, мм)».

Затем по таблице 1. определяют твердость полумартенситной структуры данной стали. На графике параллельно оси абсцисс про­водят прямую, соответствующую твердости полумартенситной струк­туры, до пересечения с кривой, и опускают перпендикуляр на ось абсцисс. Полученное значение L соответствует глубине прокаливаемости данной стали.

Чем больше это расстояние, тем выше прокаливаемость.

Задание

1. Изучить характеристики прокаливаемости, установку для торцевой закалки, методику проведения торцевой закалки.

2. Выбрать 2 стальных образца с одинаковым количеством углерода; один из них должен быть из углеродистой стали, другой из легированной.

3. Выбрать температуру нагрева под закалку для исследуемых сталей.

4. Выдержать образцы в печи при выбранной температуре на­грева. Провести торцевую закалку образцов из углеродистой и ле­гированной сталей.

5. Проточить в образцах лыски глубиной 0,5 мм по образую­щим цилиндра (с двух противоположных по диаметру сторон).

6. Замерить твердость стали по длине площадок начиная от торца, через 1,5, а затем через 3 мм.

7. Результаты испытаний занести в протокол в виде таблицы 2.

8. Построить кривую прокаливаемости в координатах «твер­дость – расстояние от торца».

9. Используя данные таблицы 1, определить глубину прокалива­емости углеродистой и легированной сталей.

10. Сделать вывод о влиянии легирования на прокаливаемость стали.

11. Написать отчет о проведенных исследованиях в соответствии с п.п. 2-9.

Таблица 2 – Протокол испытаний

5. Контрольные вопросы

1. Что понимают под прокаливаемостью стали?

2. При каком условии образец (деталь) прокаливается наск­возь?

3. Какие факторы влияют на прокаливаемость?

4. Какие факторы влияют на критическую скорость охлаждения?

5. Что служит характеристикой прокаливаемости сталей?

6. Что принимают за глубину закаленного слоя стали?

7. В чем заключается метод торцевой закалки?

Лабораторная работа №9 (№18)