Определение и цель закалки
Сталь нагревают до температуры выше критической точки Ac3 (гипоэвтектоидная сталь) или Ac1 (гиперэвтектоидная сталь), выдерживают в течение определенного времени для полной или частичной аустенитизации, а затем охлаждают со скоростью, превышающей критическую скорость закалки. Процесс термической обработки, превращающий переохлажденный аустенит в мартенсит или нижний бейнит, называется закалкой.
Целью закалки является превращение переохлажденного аустенита в мартенсит или бейнит для получения мартенситной или нижнебейнитной структуры, которая затем сочетается с отпуском при различных температурах, что значительно улучшает прочность, твердость и сопротивление стали, износостойкость, усталостную прочность и ударную вязкость и т. д., для удовлетворения различных требований к применению различных механических деталей и инструментов. Закалка также может использоваться для придания особым физико-химическим свойствам некоторых специальных сталей, таким как ферромагнетизм и коррозионная стойкость.
При охлаждении стальных деталей в закалочной среде с изменением физического состояния процесс охлаждения обычно делится на три стадии: стадия образования паровой пленки, стадия кипения и стадия конвекции.
Закаливаемость стали
Закаливаемость и способность к закалке — это два показателя, характеризующие способность стали к закалке. Они также являются важным критерием при выборе и применении материала.
1. Понятия закаливаемости и способности к закаливанию
Закаливаемость — это способность стали достигать максимальной твердости, которую она может получить при закалке и упрочнении в идеальных условиях. Главным фактором, определяющим закаливаемость стали, является содержание углерода в стали. Точнее, это содержание углерода, растворенного в аустените в процессе закалки и нагрева. Чем выше содержание углерода, тем выше закаливаемость стали. Легирующие элементы в стали оказывают незначительное влияние на закаливаемость, но существенно влияют на нее.
Закаливаемость — это характеристики, определяющие глубину закалки и распределение твердости стали в заданных условиях. То есть, это способность получить необходимую глубину закаленного слоя при охлаждении стали. Это неотъемлемое свойство стали. Фактически, закаливаемость отражает легкость превращения аустенита в мартенсит при охлаждении стали. Она в основном связана со стабильностью переохлажденного аустенита стали или с критической скоростью охлаждения стали при закалке.
Следует также отметить, что закаливаемость стали необходимо отличать от эффективной глубины закалки стальных деталей при конкретных условиях закалки. Закаливаемость стали — это неотъемлемое свойство самой стали. Она зависит только от её внутренних факторов и не имеет отношения к внешним факторам. Эффективная глубина закалки стали зависит не только от закаливаемости стали, но и от используемого материала. Она связана с внешними факторами, такими как среда охлаждения и размер заготовки. Например, при одинаковых условиях аустенитизации закаливаемость одной и той же стали одинакова, но эффективная глубина закалки при закалке в воде больше, чем при закалке в масле, при этом глубина закалки мелких деталей меньше, чем при закалке в масле. Эффективная глубина закалки крупных деталей велика. Это не означает, что закалка в воде имеет более высокую закаливаемость, чем закалка в масле. Нельзя также сказать, что мелкие детали имеют более высокую закаливаемость, чем крупные. Как видно, для оценки закаливаемости стали необходимо исключить влияние внешних факторов, таких как форма и размер заготовки, охлаждающая среда и т. д.
Кроме того, поскольку закаливаемость и закаливаемость — это два разных понятия, сталь с высокой твердостью после закалки не обязательно обладает высокой закаливаемостью; а сталь с низкой твердостью может также обладать высокой закаливаемостью.
2. Факторы, влияющие на закаливаемость
Закаливаемость стали зависит от стабильности аустенита. Любой фактор, способный улучшить стабильность переохлажденного аустенита, сдвинуть кривую C вправо и тем самым снизить критическую скорость охлаждения, может улучшить закаливаемость высокопрочной стали. Стабильность аустенита в основном зависит от его химического состава, размера зерна и однородности состава, которые связаны с химическим составом стали и условиями нагрева.
3. Метод измерения закаливаемости
Существует множество методов измерения закаливаемости стали, наиболее часто используемыми являются метод измерения критического диаметра и метод определения концевой закаливаемости.
(1) Метод измерения критического диаметра
После закалки стали в определенной среде максимальный диаметр, при котором сердцевина приобретает полностью мартенситную или 50%-ную мартенситную структуру, называется критическим диаметром, обозначаемым как Dc. Метод измерения критического диаметра заключается в изготовлении серии круглых стержней различного диаметра, и после закалки измерении кривой твердости U, распределенной вдоль диаметра на каждом участке образца, и определении диаметра стержня с полумартенситной структурой в центре. Это и есть критический диаметр. Чем больше критический диаметр, тем выше закаливаемость стали.
(2) Метод испытания на закалку конца
Метод испытания на торцевое закаливание использует стандартный образец для торцевого закаливания (Ф25 мм × 100 мм). После аустенитизации на один конец образца распыляется вода на специальном оборудовании для его охлаждения. После охлаждения твердость измеряется вдоль оси – с конца, охлажденного водой. Метод испытания для кривой зависимости от расстояния. Метод испытания на торцевое закаливание является одним из методов определения закаливаемости стали. Его преимуществами являются простота выполнения и широкий спектр применения.
4. Закалочное напряжение, деформация и растрескивание.
(1) Внутреннее напряжение заготовки во время закалки
При быстром охлаждении заготовки в закалочной среде, поскольку заготовка имеет определенные размеры и коэффициент теплопроводности, в процессе охлаждения вдоль ее внутреннего сечения возникает определенный температурный градиент. Температура поверхности низкая, температура сердцевины высокая, а также наблюдается разница температур между поверхностью и сердцевиной. В процессе охлаждения заготовки также происходят два физических явления: тепловое расширение, при котором по мере снижения температуры длина поперечного сечения заготовки уменьшается; превращение аустенита в мартенсит при снижении температуры до точки мартенситного превращения, что приводит к увеличению удельного объема. Из-за разницы температур в процессе охлаждения величина теплового расширения будет различной в разных частях поперечного сечения заготовки, и в разных частях заготовки будут возникать внутренние напряжения. Из-за наличия разницы температур внутри заготовки могут также существовать участки, где температура падает быстрее, чем точка мартенситного превращения. В процессе фазового превращения происходит расширение объема, и участки с высокой температурой остаются выше заданной точки и находятся в аустенитном состоянии. Эти различные участки также будут создавать внутренние напряжения из-за различий в удельных изменениях объема. Поэтому в процессе закалки и охлаждения могут возникать два вида внутренних напряжений: термическое напряжение и механическое напряжение.
В зависимости от характеристик времени существования внутренних напряжений, их также можно разделить на мгновенные и остаточные. Внутренние напряжения, возникающие в заготовке в определенный момент времени в процессе охлаждения, называются мгновенными напряжениями; напряжения, остающиеся внутри заготовки после охлаждения, называются остаточными напряжениями.
Термическое напряжение — это напряжение, возникающее из-за неравномерного теплового расширения (или сжатия при охлаждении) вследствие разницы температур в разных частях заготовки при ее нагреве (или охлаждении).
Рассмотрим в качестве примера сплошной цилиндр, чтобы проиллюстрировать закономерности образования и изменения внутренних напряжений в процессе его охлаждения. Здесь рассматривается только осевое напряжение. В начале охлаждения, поскольку поверхность быстро охлаждается, температура низкая, и происходит значительная усадка, в то время как сердцевина охлаждается, температура высокая, и усадка невелика. В результате поверхность и внутренняя часть взаимно ограничены, что приводит к растягивающему напряжению на поверхности, в то время как сердцевина находится под давлением. По мере продолжения охлаждения разница температур между внутренней и внешней сторонами увеличивается, и, соответственно, внутреннее напряжение также возрастает. Когда напряжение возрастает и превышает предел текучести при этой температуре, происходит пластическая деформация. Поскольку толщина сердцевины больше толщины поверхности, сердцевина всегда сначала сжимается в осевом направлении. В результате пластической деформации внутреннее напряжение больше не увеличивается. После охлаждения в течение определенного периода времени снижение температуры поверхности постепенно замедляется, и усадка также постепенно уменьшается. В этот момент сердцевина продолжает сжиматься, поэтому растягивающее напряжение на поверхности и сжимающее напряжение в сердцевине будут постепенно уменьшаться, пока не исчезнут. Однако по мере продолжения охлаждения влажность поверхности становится все ниже и ниже, а величина усадки уменьшается или даже прекращается. Поскольку температура в сердцевине все еще высока, она будет продолжать сжиматься, и в конечном итоге на поверхности заготовки возникнет сжимающее напряжение, а в сердцевине — растягивающее. Однако, поскольку температура низкая, пластическая деформация происходит с трудом, поэтому это напряжение будет увеличиваться по мере продолжения охлаждения. Оно продолжает расти и в конечном итоге остается внутри заготовки в виде остаточного напряжения.
Видно, что термическое напряжение в процессе охлаждения первоначально вызывает растяжение поверхностного слоя и сжатие сердцевины, а остаточное напряжение представляет собой сжатие поверхностного слоя и растяжение сердцевины.
В заключение, термическое напряжение, возникающее при закалке и охлаждении, обусловлено разницей температур в поперечном сечении в процессе охлаждения. Чем выше скорость охлаждения и чем больше разница температур в поперечном сечении, тем больше возникающее термическое напряжение. При одинаковых условиях охлаждающей среды, чем выше температура нагрева заготовки, тем больше ее размер, тем меньше теплопроводность стали, тем больше разница температур внутри заготовки и тем больше термическое напряжение. Если заготовка охлаждается неравномерно при высокой температуре, она деформируется. Если мгновенное растягивающее напряжение, возникающее в процессе охлаждения заготовки, превышает предел прочности материала на растяжение, возникнут закалочные трещины.
Напряжение фазового превращения — это напряжение, возникающее из-за различного времени фазового превращения в разных частях заготовки в процессе термической обработки, также известное как напряжение в ткани.
В процессе закалки и быстрого охлаждения, когда поверхностный слой охлаждается до точки Ms, происходит мартенситное превращение, вызывающее объемное расширение. Однако из-за препятствия со стороны сердцевины, которая еще не претерпела превращения, поверхностный слой испытывает сжимающее напряжение, в то время как сердцевина испытывает растягивающее напряжение. Когда напряжение становится достаточно большим, оно вызывает деформацию. Когда сердцевина охлаждается до точки Ms, она также подвергается мартенситному превращению и расширяется в объеме. Однако из-за ограничений со стороны преобразованного поверхностного слоя с низкой пластичностью и высокой прочностью, его конечное остаточное напряжение будет иметь форму поверхностного натяжения, и сердцевина будет находиться под давлением. Видно, что изменение и конечное состояние напряжения фазового превращения прямо противоположны термическому напряжению. Более того, поскольку напряжение фазового превращения возникает при низких температурах с низкой пластичностью, деформация в это время затруднена, поэтому напряжение фазового превращения с большей вероятностью вызовет растрескивание заготовки.
На величину напряжения фазового превращения влияет множество факторов. Чем выше скорость охлаждения стали в диапазоне температур мартенситного превращения, тем больше размер стального изделия, тем хуже теплопроводность стали, тем больше удельный объем мартенсита, и тем больше напряжение фазового превращения. Кроме того, напряжение фазового превращения также связано с составом стали и ее закаливаемостью. Например, высокоуглеродистая высоколегированная сталь увеличивает удельный объем мартенсита из-за высокого содержания углерода, что должно увеличивать напряжение фазового превращения стали. Однако с увеличением содержания углерода точка Ms снижается, и после закалки остается большое количество остаточного аустенита. Его объемное расширение уменьшается, и остаточное напряжение становится низким.
(2) Деформация заготовки во время закалки
В процессе закалки в заготовке происходят два основных типа деформации: изменение геометрической формы заготовки, проявляющееся в изменении размеров и формы, часто называемое короблением, вызванное закалочным напряжением; и объемная деформация, проявляющаяся в пропорциональном расширении или сжатии объема заготовки, вызванном изменением удельного объема при фазовом переходе.
Деформация, вызванная короблением, также включает в себя деформацию формы и деформацию скручивания. Деформация скручивания в основном вызвана неправильным размещением заготовки в печи во время нагрева, отсутствием обработки для придания формы после коррекции деформации перед закалкой или неравномерным охлаждением различных частей заготовки при ее охлаждении. Эта деформация может быть проанализирована и решена для конкретных ситуаций. Далее в основном рассматриваются объемная деформация и деформация формы.
1) Причины деформации при закалке и закономерности ее изменения
Объёмная деформация, вызванная структурным превращением. Структурное состояние заготовки до закалки обычно перлитное, то есть смешанная структура феррита и цементита, а после закалки — мартенситное. Различные удельные объёмы этих материалов вызывают изменения объёма до и после закалки, что приводит к деформации. Однако эта деформация вызывает лишь пропорциональное расширение и сжатие заготовки, поэтому она не изменяет её форму.
Кроме того, чем больше мартенсита в структуре после термообработки или чем выше содержание углерода в мартенсите, тем больше его объемное расширение, и чем больше количество остаточного аустенита, тем меньше объемное расширение. Следовательно, изменение объема можно контролировать, регулируя относительное содержание мартенсита и остаточного мартенсита в процессе термообработки. При правильном контроле объем не будет ни расширяться, ни сжиматься.
Деформация формы, вызванная термическим напряжением. Деформация, вызванная термическим напряжением, происходит в зонах высоких температур, где предел текучести стальных деталей низок, пластичность высока, поверхность быстро охлаждается, а разница температур между внутренней и внешней сторонами заготовки максимальна. В это время мгновенное термическое напряжение представляет собой поверхностное растягивающее напряжение и сжимающее напряжение в сердцевине. Поскольку температура в сердцевине в это время высока, предел текучести значительно ниже, чем на поверхности, поэтому это проявляется как деформация под действием многонаправленного сжимающего напряжения, то есть куб приобретает сферическую форму. В результате большая часть сжимается, а меньшая расширяется. Например, длинный цилиндр укорачивается в длину и расширяется в диаметре.
Деформация формы, вызванная напряжением в тканях. Деформация, вызванная напряжением в тканях, также происходит на ранней стадии, когда напряжение в тканях максимально. В это время разница температур поперечного сечения велика, температура сердцевины выше, она все еще находится в аустенитном состоянии, пластичность хорошая, а предел текучести низкий. Мгновенное напряжение в тканях представляет собой поверхностное сжимающее напряжение и напряжение растяжения в сердцевине. Поэтому деформация проявляется как удлинение сердцевины под действием многонаправленного растягивающего напряжения. В результате под действием напряжения в тканях большая сторона заготовки удлиняется, а меньшая — укорачивается. Например, деформация, вызванная напряжением в тканях, в длинном цилиндре представляет собой удлинение по длине и уменьшение диаметра.
В таблице 5.3 показаны закономерности деформации при закалке различных типичных стальных деталей.
2) Факторы, влияющие на деформацию при закалке
К факторам, влияющим на деформацию при закалке, относятся, главным образом, химический состав стали, исходная структура, геометрия деталей и процесс термической обработки.
3) Закалочные трещины
Трещины в деталях возникают преимущественно на поздней стадии закалки и охлаждения, то есть после того, как мартенситное превращение в основном завершилось или после полного охлаждения, и происходит хрупкое разрушение, поскольку растягивающее напряжение в деталях превышает предел прочности стали на излом. Трещины обычно перпендикулярны направлению максимальной деформации растяжения, поэтому различные формы трещин в деталях в основном зависят от состояния распределения напряжений.
Распространенные типы закалочных трещин: продольные (осевые) трещины образуются главным образом, когда тангенциальное растягивающее напряжение превышает предел прочности материала; поперечные трещины образуются, когда большое осевое растягивающее напряжение, возникающее на внутренней поверхности детали, превышает предел прочности материала. Трещины; сетчатые трещины образуются под действием двумерного растягивающего напряжения на поверхности; отслаивающиеся трещины возникают в очень тонком упрочненном слое, что может произойти при резком изменении напряжения и чрезмерном растягивающем напряжении, действующем в радиальном направлении. Вид трещины.
Продольные трещины также называются осевыми трещинами. Трещины возникают при максимальном растягивающем напряжении вблизи поверхности детали и имеют определенную глубину по направлению к центру. Направление трещин обычно параллельно оси, но может изменяться при концентрации напряжений в детали или при наличии внутренних структурных дефектов.
После полного охлаждения заготовки склонны к образованию продольных трещин. Это связано с большим тангенциальным растягивающим напряжением на поверхности закаленной заготовки. По мере увеличения содержания углерода в стали склонность к образованию продольных трещин возрастает. Низкоуглеродистая сталь имеет малый удельный объем мартенсита и сильные термические напряжения. На поверхности присутствует большое остаточное сжимающее напряжение, поэтому она плохо поддается закалке. По мере увеличения содержания углерода поверхностное сжимающее напряжение уменьшается, а структурное напряжение возрастает. В то же время пиковое растягивающее напряжение смещается к поверхностному слою. Поэтому высокоуглеродистая сталь склонна к образованию продольных закалочных трещин при перегреве.
Размер деталей напрямую влияет на размер и распределение остаточных напряжений, а также на их склонность к образованию трещин при закалке. Продольные трещины также легко образуются при закалке в опасном диапазоне размеров поперечного сечения. Кроме того, закупорка стального сырья часто вызывает продольные трещины. Поскольку большинство стальных деталей изготавливается методом прокатки, не содержащие золота включения, карбиды и т. д. в стали распределяются вдоль направления деформации, что приводит к анизотропии стали. Например, если инструментальная сталь имеет полосчатую структуру, ее прочность на поперечный излом после закалки на 30–50% меньше, чем прочность на продольный излом. Если в стали присутствуют такие факторы, как не содержащие золота включения, вызывающие концентрацию напряжений, даже если тангенциальное напряжение превышает осевое, продольные трещины легко образуются в условиях низких напряжений. По этой причине строгий контроль уровня неметаллических включений и сахаров в стали является важным фактором предотвращения образования трещин при закалке.
Характеристики распределения внутренних напряжений в поперечных и дугообразных трещинах следующие: поверхность подвержена сжимающему напряжению. После удаления от поверхности на определенное расстояние сжимающее напряжение сменяется большим растягивающим напряжением. Трещина возникает в зоне растягивающего напряжения, и затем, когда внутреннее напряжение распространяется на поверхность детали, оно возникает только в случае перераспределения или дальнейшего увеличения хрупкости стали.
Поперечные трещины часто встречаются в крупных деталях валов, таких как ролики, роторы турбин или другие детали валов. Характерной особенностью этих трещин является их перпендикулярность оси и распространение изнутри наружу. Они часто образуются до закалки и вызваны термическим напряжением. Крупные поковки часто имеют металлургические дефекты, такие как поры, включения, трещины поковки и белые пятна. Эти дефекты служат отправной точкой для разрушения и распада под действием осевого растягивающего напряжения. Дуговые трещины вызваны термическим напряжением и обычно имеют дугообразную форму в местах изменения формы детали. В основном они возникают внутри заготовки или вблизи острых кромок, канавок и отверстий и имеют дугообразную форму. Когда детали из высокоуглеродистой стали диаметром или толщиной 80–100 мм и более не закалены, на поверхности будет наблюдаться сжимающее напряжение, а в центре — растягивающее. В зоне перехода от упрочненного слоя к неупрочненному возникает максимальное растягивающее напряжение, и в этих областях образуются дугообразные трещины. Кроме того, скорость охлаждения острых кромок и углов высока, и все они закалены. При переходе к более мягким участкам, то есть к неупрочненной области, зона максимального растягивающего напряжения появляется именно здесь, поэтому дугообразные трещины склонны к образованию. Скорость охлаждения вблизи штифтового отверстия, канавки или центрального отверстия заготовки низкая, соответствующий упрочненный слой тонкий, и растягивающее напряжение вблизи зоны перехода упрочненного слоя может легко вызвать дугообразные трещины.
Сетчатые трещины, также известные как поверхностные трещины, представляют собой поверхностные трещины. Глубина трещины невелика, обычно около 0,01–1,5 мм. Главная характеристика этого типа трещин заключается в том, что произвольное направление трещины не зависит от формы детали. Множество трещин соединяются друг с другом, образуя сеть, и широко распространены. Когда глубина трещины становится больше, например, более 1 мм, сетчатые характеристики исчезают, и трещины становятся хаотично ориентированными или продольно распределенными. Сетчатые трещины связаны с состоянием двумерного растягивающего напряжения на поверхности.
Детали из высокоуглеродистой или цементированной стали с обезуглероживающим слоем на поверхности склонны к образованию сетчатых трещин при закалке. Это связано с тем, что поверхностный слой имеет более низкое содержание углерода и меньший удельный объем, чем внутренний мартенситный слой. При закалке поверхностный слой карбида подвергается растягивающему напряжению. Детали, у которых слой обезфосфоривания не был полностью удален в процессе механической обработки, также будут образовывать сетчатые трещины при высокочастотной или пламенной закалке поверхности. Для предотвращения таких трещин необходимо строго контролировать качество поверхности деталей и предотвращать оксидную сварку во время термообработки. Кроме того, после определенного периода использования ковочного штампа к этой форме относятся трещины термической усталости, появляющиеся в виде полос или сетей в полости, и трещины, возникающие в процессе шлифовки закаленных деталей.
Трещины отслаивания возникают в очень узкой области поверхностного слоя. Сжимающее напряжение действует в осевом и тангенциальном направлениях, а растягивающее — в радиальном. Трещины параллельны поверхности детали. Отслаивание закаленного слоя после поверхностной закалки и охлаждения цементированных деталей относится к таким трещинам. Его возникновение связано с неравномерной структурой в закаленном слое. Например, после охлаждения легированной цементированной стали с определенной скоростью структура цементированного слоя выглядит следующим образом: внешний слой — чрезвычайно мелкий перлит + карбиды, подслой — мартенсит + остаточный аустенит, внутренний слой — мелкозернистый перлит или чрезвычайно мелкозернистый перлит. Поскольку удельный объем образования подслоя мартенсита является наибольшим, результатом объемного расширения является то, что на поверхностный слой действуют сжимающие напряжения в осевом и тангенциальном направлениях, а растягивающие напряжения возникают в радиальном направлении, происходит перераспределение напряжений внутри, переход в состояние сжимающих напряжений, и в чрезвычайно тонких областях, где происходит резкий переход напряжений, возникают отслаивающие трещины. Как правило, трещины располагаются внутри параллельно поверхности, и в тяжелых случаях могут вызывать отслаивание поверхности. Если скорость охлаждения цементированных деталей ускорить или уменьшить, в цементированном слое можно получить однородную мартенситную структуру или ультратонкую перлитную структуру, что может предотвратить возникновение таких трещин. Кроме того, при высокочастотном или пламенном поверхностном охлаждении поверхность часто перегревается, и структурная неоднородность вдоль упрочненного слоя может легко привести к образованию таких поверхностных трещин.
Микротрещины отличаются от четырех вышеупомянутых трещин тем, что они вызваны микронапряжениями. Межзеренные трещины, возникающие после закалки, перегрева и шлифовки высокоуглеродистой инструментальной стали или цементированных заготовок, а также трещины, вызванные несвоевременным отпуском закаленных деталей, связаны с наличием и последующим расширением микротрещин в стали.
Микротрещины необходимо исследовать под микроскопом. Обычно они возникают на границах исходных зерен аустенита или на стыках мартенситных слоев. Некоторые трещины проникают в мартенситные слои. Исследования показывают, что микротрещины чаще встречаются в чешуйчатом двойниковом мартенсите. Причина в том, что чешуйчатый мартенсит сталкивается друг с другом при быстром росте, создавая высокое напряжение. Однако сам двойниковый мартенсит является хрупким и не может создавать пластическую деформацию, которая бы снимала напряжение, что легко приводит к образованию микротрещин. Зерна аустенита крупные, и восприимчивость к микротрещинам возрастает. Наличие микротрещин в стали значительно снижает прочность и пластичность закаленных деталей, что приводит к их преждевременному повреждению (разрушению).
Для предотвращения образования микротрещин в деталях из высокоуглеродистой стали можно применять такие меры, как снижение температуры закалки, получение мелкозернистой мартенситной структуры и уменьшение содержания углерода в мартенсите. Кроме того, своевременный отпуск после закалки является эффективным методом снижения внутренних напряжений. Испытания показали, что после достаточного отпуска при температуре выше 200 °C карбиды, осажденные в трещинах, «сваривают» их, что значительно снижает опасность образования микротрещин.
Выше обсуждаются причины и методы предотвращения образования трещин на основе характера их распределения. В реальном производстве распределение трещин варьируется в зависимости от таких факторов, как качество стали, форма детали и технология горячей и холодной обработки. Иногда трещины существуют еще до термообработки и продолжают расширяться в процессе закалки; иногда в одной и той же детали одновременно могут появляться несколько типов трещин. В этом случае, основываясь на морфологических характеристиках трещины, макроскопическом анализе поверхности излома, металлографическом исследовании, а при необходимости и на химическом анализе и других методах, следует провести комплексный анализ, охватывающий качество материала, организационную структуру и причины напряжений, возникающих при термообработке, чтобы выявить основные причины образования трещин и определить эффективные профилактические меры.
Анализ трещин является важным методом исследования причин их возникновения. Любая трещина имеет свою отправную точку. Закалочные трещины обычно начинаются в точке схождения радиальных трещин.
Если трещина возникает на поверхности детали, это означает, что она вызвана чрезмерным растягивающим напряжением на поверхности. Если на поверхности нет структурных дефектов, таких как включения, но присутствуют факторы концентрации напряжений, такие как сильные следы от ножа, оксидная пленка, острые углы стальных деталей или структурные дефекты, могут возникнуть трещины.
Если трещина возникает внутри детали, это связано с дефектами материала или чрезмерным внутренним остаточным растягивающим напряжением. Поверхность излома при нормальной закалке имеет серый, мелкозернистый фарфоровый оттенок. Если поверхность излома темно-серая и шероховатая, это вызвано перегревом или утолщением исходной структуры.
В общем случае, на стеклянном участке закалочной трещины не должно быть следов окисления, а вокруг трещины не должно быть обезуглероживания. Если вокруг трещины наблюдается обезуглероживание или окисление на участке трещины, это указывает на то, что трещины уже присутствовали до закалки, и исходные трещины расширятся под воздействием термической обработки. Если вблизи трещин детали наблюдаются сегрегированные карбиды и включения, это означает, что трещины связаны с сильной сегрегацией карбидов в исходном материале или наличием включений. Если трещины появляются только в острых углах или деформированных частях детали без вышеописанных явлений, это означает, что трещины вызваны нерациональной конструкцией детали, неправильными мерами по предотвращению трещин или чрезмерным термическим воздействием.
Кроме того, трещины в деталях, подвергнутых химической термообработке и поверхностному закаливанию, чаще всего появляются вблизи закаленного слоя. Улучшение структуры закаленного слоя и снижение напряжений, возникающих при термообработке, являются важными способами предотвращения образования поверхностных трещин.
Дата публикации: 22 мая 2024 г.