Образование трещин при термической обработке стальных изделий

Обновлено: 16.05.2024

Недостаточная твердость закаленного изделия появляется в результате неправильно выбранной температуры закалки или недостаточно интенсивного охлаждения. Скажем, при закалке доэвтектоидных сталей недостаточная твердость может получиться в результате того, что температура закалки была ниже АС3

и в структуре стали сохранился феррит.

Кроме того, в доэвтектоидной стали пониженная твердость может быть результатом перегрева. Образование при этом крупноигольчатой структуры мартенсита, помимо пониженной твердости, вызывает понижение ударной вязкости.

В заэвтектоидных сталях недостаточная твердость закаленного изделия может также являться результатом перегрева и образования крупноигольчатого мартенсита.

Дефекты закалки с нагревом ТВЧ и их предупреждение. Деформация. Трещины.

Хотя деформация деталей при высокочастотной закалке значительно меньше, чем при объемной, тем не менее и в этом случае она может быть причиной брака. Как и при объемной закалке, деформация связана, во-первых, с неравномерностью нагрева и охлаждения и, во-вторых, с увеличением объема стали при образовании мартенсита.

Неравномерность нагрева при высокочастотной закалке вызывается неравномерным зазором по окружности между индуктором и нагреваемой деталью. В тех местах, где зазор меньше, нагрев происходит сильнее. Такое явление называется эффектом близости. Во избежание этого проводят, как указывалось выше, вращение детали при нагреве. Вращение, однако, не дает эффекта, если сама нагреваемая деталь имеет эксцентриситет, или центры станка, в которых она устанавливается, имеют биение.

Неравномерность охлаждения вызывается неравномерной подачей воды через спрейер.

В результате неравномерности нагрева и охлаждения может произойти искривление геометрической оси при закалке цилиндрических изделий типа валов, шпинделей и т. п.

Наибольшая деформация наблюдается при односторонней поверхностной закалке, особенно в тех случаях, когда детали не обладают достаточной жесткостью, как, например, пластины. Однако даже изделия, обладающие высокой жесткостью, такие как рельсы, балки и др., но имеющие большую длину, при односторонней закалке склонны к деформации. В этих случаях уменьшение деформации может быть достигнуто снижением толщины закаленного слоя, а также закалкой обратной, нерабочей стороны пластин или балок.

Увеличение объема при высокочастотной закалке происходит только в поверхностном слое детали, где образуется мартенситная структура. Несмотря на то, что глубина закаленного слоя в большинстве случаев не превышает 2—3 мм, изменение объема даже в таком небольшом слое может привести к ощутимому и нежелательному изменению размеров детали. Например, при поверхностной закалке цилиндрической детали, при равномерном расширении слоя во всех направлениях можно было бы ожидать увеличения диаметра детали примерно, на 3 мкм на каждый миллиметр толщины закаленного слоя. Если же учесть, что в большинстве случаев увеличение объема при поверхностной закалке происходит в основном в направлении глубины слоя (по диаметру детали), то увеличение диаметра можно принять в 3 раза большим, т. е. оно составит примерно 0,01 мм на каждый миллиметр толщины слоя.

Наряду с увеличением диаметра при закалке цилиндрических деталей, особенно в тех случаях, когда длина их значительно превышает диаметр, происходит уменьшение длины. Такое уменьшение может достигать 1 % от длины закаленного участка.

Важным преимуществом высокочастотной закалки является то, что изменение объема, связанное со структурными превращениями, а значит и изменение размеров обрабатываемой детали, могут быть более или менее точно учтены.

Первопричиной появления трещин при высокочастотной поверхностной закалке, как и при обычной закалке, являются внутренние напряжения. Это все те же термические напряжения, возникающие вследствие уменьшения объема металла при охлаждении, и структурные напряжения вследствие увеличения объема стали при образовании мартенсита.

Однако условия возникновения трещин, их вид и размеры при высокочастотной закалке имеют свои характерные особенности. Сущность их сводится к следующему. Поскольку нагреву подвергается только тонкий поверхностный слой металла, то при последующем резком охлаждении он будет стремиться уменьшиться в объеме, но этому будет препятствовать лежащий под ним холодный слой металла. В результате в поверхностном слое возникнут растягивающие напряжения. До 600— 500°С нагретый металл еще сохраняет сравнительно высокую пластичность, но ниже этой температуры пластичность падает, и такие напряжения могут привести к трещинам. При дальнейшем охлаждении ниже 300— 200°С, когда в поверхностном слое образуется мартенсит, происходит увеличение объема металла, и это уменьшает растягивающие напряжения, поэтому возникшие трещины, как правило, не увеличиваются по глубине. По существу это микротрещины, которые во многих случаях могут быть удалены при последующей шлифовке.

Возникновению микротрещин способствует неравномерность охлаждения водяным душем, когда разобщенные тонкие струйки воды, попадая на закаливаемую поверхность, создают неоднородное охлаждение. Образующиеся микротрещины имеют характерное для этого случая расположение, соответствующее расположению отверстий в спрейере.

Неоднородность охлаждения уменьшается при вращении детали. Действенной мерой является также применение индукторов с коническими душирующими отверстиями. В таких спрейерах струя воды по выходе из отверстия расширяется, и при попадании на поверхность детали отдельные струи воды сливаются в общий поток. Применяемое в настоящее время в практике заводов охлаждение масляным душем — эффективное средство борьбы с трещинами.

Перейти вверх к навигации

Окисление и обезуглероживание

Такой брак характеризуются образованием окалины на поверхности стальных изделий и выгоранием углерода в поверхностных слоях (так называемое — обезуглероживание) .

Такой брак термической обработки неисправим,

но если позволяет припуск на механическую обработку, то окисленный и обезуглероженный слой удаляют шлифовкой.

Для предотвращения этого вида брака нагрев изделий рекомендуется проводить в печах с нейтральной атмосферой либо в жидких средах.

Дефекты термической обработки стали

Нарушение в проведении термической обработки металлических изделий приводят к возникновению разнообразных дефектов.

Давайте остановимся на основных дефектах, которые могут возникать в результате термической обработки стали.

Недогрев. Недогрев стали возникает в том случае, когда сталь во время обработки нагревается до температуры ниже критической. В результате этого, к примеру, часть феррита может не превратиться в аустенит.

После охлаждения аустенит остаётся в закалённой стали, в результате этого образуется особая структура.

Перегрев. Перегрев возникает, когда сталь перегревается до температуры намного выше критической, или же в случае, когда температура находилось в норме, но была слишком долгая выдержка.

Перегрев приводит к росту зерен, а при очень сильном перегреве образуется видманштеттова структура, где пластинчатая форма ферритных участков расположены под углом друг другу, в результате чего образуются треугольники. Механические свойства стали находятся на крайне низком уровне.

Окисление и обезуглероживание. Обезуглероживание и окисление стали во время нагрева является результатом взаимодействия с газами, которые находятся в печах. В результате данного взаимодействия на поверхности стали образуется окалина (при окислении), а в результате обезуглероживания происходит выгорание углерода, что приводит к образованию структуры феррита.

Образование окалины приводят к неравномерности твёрдости металла, вызывает необходимость дополнительной его обработки, а так же дополнительной потери металла.

Результатом действия обезуглероживания является резкое снижение твёрдости и выносливости на поверхностях металла. Для предотвращения данных неблагоприятных последствий, необходимо использовать печи с контролируемой атмосферой.

Закалочные трещины. Закалочные трещины возникают при резком нагреве или охлаждении метала. Предотвращения данных дефектов достаточно просто, достаточно придерживаться правильной технологии нагрева и охлаждения стали.

Коробление. Коробление возникает в результате неравномерного охлаждения отдельных частей детали (мест), в результате этого процесса происходит изменение внешней формы.

На данный процесс большое значение оказывает, как форма детали, так и способ погружения для охлаждения.

Предотвратить образование данного дефекта возможно путём правильного режима закалки.

Пятнистая закалка. Пятнистая закалка является дефектом, который возникает при неравномерном охлаждении поверхности детали, которое осуществляется в процессе проведения закалки.

Способствовать возникновения пятнистой закалки может наличие на поверхности окалины, грязи или в соприкосновение деталей между собой.

Результатом пятнистой закалки является неравномерная твёрдость. Средством профилактики пятнистой закалки является защита поверхности детали от окалины, её очистка и правильный способ охлаждения.

Закалочные трещины

Закалочные трещины могут являться результатом слишком быстрого и неравномерного нагрева, либо слишком быстрого охлаждения,

либо наличия на детали резких переходов сечений, где возникают большие внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию.

Они могут получиться и в том случае, если после закалки деталь сразу не подвергли отпуску для снятия внутренних напряжений.

Для устранения растрескивания деталей при закалке необходимо обеспечить равномерный и более медленный нагрев, использовать закалку с одстуживанием (в двух средах или ступенчатую), отпускать изделия непосредственно после закалки и т.д.

Дефекты, возникающие при закалке стали

Неправильно проведенная закалка вызывает ряд дефектов в металле. К ним прежде всего относятся недостаточная твердость, мягкие пятна, повышенная хрупкость, деформация, коробление и трещины.

Недостаточная твердость может быть следствием заниженной температуры нагрева металла перед закалкой для доэвтектоидных марок стали; недостаточной выдержки металла при температуре закалки; малой скорости охлаждения при закалке; перегрева металла перед закалкой для заэвтектоидных марок стали.

Для исправления этих дефектов необходимо подвергнуть сталь нормализации или отжигу с последующей повторной закалкой при соблюдении установленного режима нагрева и охлаждения.

Мягкие пятнав металле, т. е. незакаленные участки с пониженной твердостью, возникают из-за неоднородной исходной структуры или обезуглероживания поверхности. При наличии, например, в исходной структуре скоплений феррита он не успевает перейти в раствор и сохраняется после закалки. Образование на поверхности изделий обезуглероженных участков, естественно, отражается на твердости металла после закалки. Неоднородность структуры стали перед закалкой исправляют отжигом или нормализацией. Применение более резких охладителей позволяет иногда предупредить^ образование мягких пятен при закалке.

Повышенная хрупкость стали появляется при ее закалке от излишне высоких температур. Дефект обнаруживается при рассмотрении микро структуры или излома стали, а также проявляется при механических испытаниях. Для устранения повышенной хрупкости производят повторную закалку стали по нормальному режиму нагрева.

Деформация, коробление и трещины в изделиях являются следствием объемных изменений и внутренних напряжений в металле при закалке.

Деформация изделий происходит в результате мартенситного превращения стали после закалки. Коробление (поводка) изделий получается при их неравномерном нагреве или охлаждении. Оба эти дефекта могут быть предотвращены или значительно уменьшены равномерным нагревом и охлаждением изделий, применением специальных способов закалки и, наконец, правкой и шлифованием изделий после закалки.

Образование трещин можно предупредить, если правильно конструировать деталь, устранив в ней неравномерные переходы от толстых сечений к тонким и подвергнуть ее отжигу перед механической обработкой для снятия внутренних напряжений. Прерывистая и ступенчатая закалка также способствуют предотвращению закалочных трещин в металле.

Образование трещин при термической обработке стальных изделий

Температура нагрева. Температура может оказать влияние на образование трещин в процессе нагрева и охлаждения, а также после окончания термической обработки.

Сталь по чувствительности к трещинам с исходной структурой перлитного строения (пластинчатый перлит, зернистый перлит, сорбит) отличается от сталей с исходной структурой мартенсита.

Сталь со структурой перлитного типа при комнатной температуре обладает значительной пластичностью. При испытании, на растяжение углеродистая сталь У12 со структурой зернистый перлит при 20° С имеет следующие механические свойства: предел прочности 59 · 10 7 н/м 2 (60 кГ/мм 2 ), удлинение 24%, сужение поперечного сечения 40%. Хрупкое разрушение такой стали возможно при создании трехсторонних растягивающих напряжений. Поэтому необходимые условия для образования трещин при нагреве могут возникнуть в крупных заготовках, покрвках, прокате, слитках, поскольку в них возникает значительная разность температур по сечению, а в соответствии с этим и высокие временные внутренние растягивающие напряжения. Для предупреждения образования трещин ограничивают скорость нагрева. Допустимый перепад температур по сечению и скорость нагрева зависят от величины и формы нагреваемого тела и механических свойств стали. Слитки, благодаря пониженной пластичности стали, более подвержены образованию трещин, чем поковки, быстрорежущая сталь — более, чем углеродистая.

Подсчитано, что в процессе нагрева до 650° С слитков среднеуглеродистой конструкционной стали с исходной структурой перлит допустима разность температур по сечению до 230° С [47]. Поэтому скорость нагрева слитков регулируют менее интенсивным подводом тепла в первую (загрузочную) зону.

При температуре 600—650° С большинство сталей приобретает значительную пластичность; способность стали к удлинению при растяжении увеличивается в 2—2,5 раза. Например, при нагреве от 20 до 600° С удлинение углеродистой стали У12 возрастает от 24 до 56%, а быстрорежущей стали — от 14 до 28%. Для большинства крупных изделий из разных сталей скорость нагрева ограничивается только до температур 600—650° С.

Перед фазовыми превращениями слитки или поковки выдерживают с целью выравнивания температур по сечению для обеспечения одновременного превращения α -фазы в γ -фазу в объеме изделия. При большом перепаде температур по сечению превращение α>γΒ поверхностной части изделия, в связи с уменьшением удельного объема, вызовет растягивающие напряжения, обусловливающие образование трещин.

Предупредить трещины технически нетрудно, поскольку замедленный нагрев или выдержка легко осуществимы. Вопрос о допустимых скоростях нагрева имеет преимущественно экономическое значение как фактор, определяющий производительность.

Скорость нагрева изделий со структурой перлит ограничивается на практике только для слитков, крупных поковок, штампов; нагрев изделий среднего машиностроения ведется с достижимой скоростью в печах или соляных ваннах. Даже в изделиях из быстрорежущей стали при ускоренном нагреве в соляных ваннах с температурой 1280—1300° С трещин не бывает.

Ступенчатый нагрев, применяемый для инструментов, изготовленных из легированной и быстрорежущей стали со структурой перлитного строения, диктуется не столько предупреждением образования трещин в процессе нагрева, сколько другими технологическими соображениями. Предварительный подогрев перед окончательным нагревом сокращает время пребывания инструмента при высоких температурах и тем самым устраняет или уменьшает обезуглероживание режущих кромок инструмента. Он необходим также для полного и одновременного завершения структурных превращений по сечению в процессе кратковременного окончательного нагрева. Чем крупнее по габаритам инструмент, тем большее значение приобретает предварительный подогрев для уменьшения времени пребывания инструмента при высоких температурах. Неоднократно приходилось отмечать, что ступенчатый нагрев с достаточным временем выдержки имеет существенное значение для предупреждений трещин уже в процессе охлаждения крупногабаритного (диаметром 100—200 мм) сложного инструмента из быстрорежущей стали, особенно если охлаждение производится в масле, а не в расплавленной селитре.

Закаленная сталь менее теплопроводна и пластична по сравнению с отожженной. Эти особенности повышают чувствительность стали к трещинам при нагреве. В отличие от отожженной, в закаленной стали при нагреве до температуры Ас_х протекают процессы отпуска мартенсита. Суммарное изменение объема под влиянием расширения от воздействия температуры и сжатия в результате отпуска мартенсита зависит главным образом от содержания углерода в стали и степени развития процессов выделения углерода из мартенсита. При нагреве до температуры фазовых превращений на поверхности закаленных изделий могут быть не только сжимающие, но и растягивающие напряжения. Закаленные изделия в отличие от отожженных в процессе нагрева до 600—650° С подвержены образованию глубоких трещин первого типа.

В качестве примеров можно привести случаи образования трещин первого типа в инструменте из быстрорежущей стали, когда после обработки холодом при —80° С его вновь нагревают для отпуска в электропечи с температурой 560° С. Во избежание трещин при отпуске после обработки холодом инструмент диаметром 40—50 мм из холодильника выгружают на пол (или в тару), выдерживают до температуры окружающего воздуха в цехе и после этого загружают для отпуска в печь, нагретую до 500—600° С. Наблюдается также появление трещин в крупнога баритном сложном инструменте из быстрорежущей стали после закалки и отпуска при нагреве его в соляных ваннах с темпе ратурой 560° С для цианирования. Во избежание трещин круп ногабаритный инструмент необходимо подогревать до 200— 300° С перед загрузкой в цианистую ванну.

Как правило, закаленные изделия нагреваются для отпуска до температуры 200—680° С, поэтому скорость нагрева, достижимая в печах и соляных ваннах, небольшая. Практически для закаленных изделий малых размеров, отпускаемых при 200— 680° С, скорость нагрева не оговаривается. Исключение составляет закаленный инструмент из быстрорежущей стали.

В процессе охлаждения и после его окончания при закалке склонность стали к образованию трещин определяется температурой нагрева. В противоположность операции нагрева, при охлаждении трещины могут появляться на изделиях весьма малого размера. Это объясняется прежде всего тем, что закалка изделий, как правило, предусматривает большие скорости охлаждения, вызывающие значительный перепад температур по сечению и высокие внутренние напряжения. Кроме того, сталь с мартенситной структурой малопластична. Высокоуглеродистая сталь, закаленная на мартенсит, при испытании растяжением разрушается хрупко без заметной макроскопической деформации. Трещины в такой стали могут возникать даже при одноосном напряженном состоянии и при очень малых деформациях растяжения, не выводящих сталь из упругой области деформирования.

Внутренние напряжения (временные и остаточные), создаваемые закалкой, даже в образцах и изделиях сечением в несколько миллиметров бывают достаточными для хрупкого разрушения закаленной стали.

Вместе с тем влияние температуры нагрева на образование трещин находится в зависимости от размера изделий, их прокаливаемое™ и формы. Поэтому влияние температуры нагрева целесообразно рассмотреть отдельно.

Образование продольных трещин (первого типа) наглядно характеризуется диаграммами, приведенными на фиг. 14 и 16, на которых отмечены температуры, ограничивающие область образования трещин. Температура, предопределяющая появление продольных трещин, зависит от размера закаливаемых образцов, причем она понижается с увеличением сечения вплоть до размеров критического образца, а затем вновь повышается. Объяснение этой зависимости будет дано позднее, а в данном случае отметим, что температурная область образования трещин первого типа ограничивается только снизу, так как с повышением температуры нагрева склонность стали к растрескиванию увеличивается.

Однако эта хорошо известная зависимость образования трещин от перегрева характерна только для определенной группы сталей.

Группа сталей Х05, XI2М (и другие этого типа), 90Х2Н4 (фиг. 39) характеризуется замкнутой областью образования трещин первого типа с ограничительной линией сверху. При нагреве образцов стали до температуры, лежащей выше верхней ограничительной линии, трещин не возникает. Здесь нарушается установленная зависимость влияния перегрева на образование трещин для сталей первой группы, и вместо повышения склонности к трещинам происходит ее снижение и даже потеря способности к трещинообразованию. Зависимость трещинообразования от температуры нагрева на первый взгляд кажется необычной, но тем не менее она существует и характерна для сталей, в которых сохраняется значительная доля остаточного аустенита после закалки. Применительно к высокоуглеродистой стали количество остаточного аустенита должно превышать 25—35%.

Все высокоуглеродистые стали, в которых после закалки с перегревом до любой температуры сохраняется остаточного аустенита менее 25—35%, характеризуются диаграммами с открытой областью образования трещин первого типа, а стали, способные сохранять остаточный аустенит в большем количестве,— диаграммами с закрытой областью.

Для удобства рассмотрения закономерности образования трещин первого типа разделим область образования трещин на часть, относящуюся к образцам размером меньше критического, и часть, характеризующую образование трещин на образцах размером больше критического.

Склонность к образованию трещин образцов размером меньше критического, относящихся к диаграммам с открытой областью трещин, можно представить ρ виде кривых, показы-

Термическая обработка. В помощь рабочему-термисту

При закалке возникают внутренние напряжения, которые по величине могут быть настолько большими, что это приводит к трещинам и разрушению стали без всякого дополнительного воздействия. Коробление деталей — это также результат воздействия внутренних напряжений. Различают три рода внутренних напряжений.

Напряжения 1-го рода.

Единственная причина возникновения таких напряжений — неравномерность охлаждения деталей при закалке. Как мы уже видели, поверхностные слои металла охлаждаются быстрее, внутренние — медленнее; тонкие части детали охлаждаются быстрее, массивные — медленнее. Почему же это приводит к внутренним напряжениям? Представим себе кольцо, в которое плотно вставлен стержень (рис. 20). Поместим такой стержень с кольцом в печь и разогреем до закалочной температуры. Теперь выгрузим их из печи и начнем холодным водяным душем поливать кольцо. При понижении температуры объем тела, как известно, уменьшается (тело сжимается). Следовательно, и кольцо при охлаждении должно уменьшиться по объему, а значит и по диаметру. Но стержень препятствует этому, так как температура его почти не изменилась, а значит и диаметр остался прежним. В этих условиях кольцо начинает давить на стержень, сжимая его со всех сторон. Поэтому в стержне и возникают сжимающие напряжения. Кольцо же при этом может даже разорваться. Нечто подобное может произойти при насаживании горячей обечайки на бочку. Таким образом, в кольце возникают растягивающие напряжения.

^Аналогичная картина получается при закалке сплошной детали цилиндрической формы (рис. 21). Наружная поверхность ее в виде кольцевого слоя охлаждается

быстро и уменьшается в объеме. Внутренняя же зона охлаждается замедленно и потому препятствует сжатию наружного кольцевого слоя. В результате внутренняя зона металла окажется сжатой, а наружная — растянутой. В последующий период внутренняя зона, охлаждаясь, уменьшится в объеме и потянет к центру наружный кольцевой слой, стремясь уменьшить его диаметр. Но металл снаружи уже остыл и потому утратил пластичность. Теперь наружная зона играет роль жесткого кольца, которое уже не может уменьшиться по диаметру. Поэтому в заключительный период охлаждения в наружных слоях металла возникнут сжимающие напряжения. Внутренняя же зона металла, будучи связана с наружными слоями, не сможет уменьшиться в объеме, хотя и будет стремиться к этому. В результате в ней возникнут растягивающие внутренние напряжения. Растягивающие напряжения являются более опасными, чем сжимающие. При закалке массивных деталей, когда различие в температуре внутренних и наружных слоев достигает значительной величины, такие напряжения могут вызвать трещины или даже привести к полному разрушению металла, как это, например, бывает при закалке молотовых штампов.

Внутренние напряжения 1-го рода, как теперь уже ясно, вызываются объемными изменениями металла при понижении или повышении температуры, и потому их называют термическими напряжениями.

Напряжения 2-го рода.

Такие напряжения вызываются структурными изменениями при закалке. Как уже указывалось, различные структуры стали имеют различный удельный объем: мартенсит — максимальный, аустенит — минимальный, перлит — средний между ними.

Представим себе цилиндрическую деталь из углеродистой стали, которая прокаливается не насквозь. Тогда после закалки в наружном кольцевом слое такой детали будет мартенситная структура, а в центральной части — перлитная. При образовании мартенсита объем стали возрастает, и поэтому наружное мартенситное кольцо будет стремиться увеличиться в диаметре. Но этому препятствует центральная зона, стремясь стянуть кольцо к центру. В результате в наружном мартенсит-ном слое металла возникнут сжимающие напряжения, а в центральной зоне, наоборот,— растягивающие.

Эти напряжения также связаны с изменениями объема металла, но такие изменения в данном случае вызваны структурными превращениями. Поэтому и напряжения называются структурными.

Таким образом, окончательная картина распределения внутренних напряжений весьма сложная и зависит от соотношения термических и структурных напряжений в данном участке детали.

Напряжения 3-го рода.

Это напряжения, возникающие в атомной решетке. Мы уже знаем, что в атомной решетке по различным причинам могут возникать искажения с нарушением правильного порядка расположения атомов, например дислокации. Дислокацию можно рассматривать как лишнюю плоскость, вклинившуюся между двумя соседними плоскостями и как бы распирающую атомную решетку в этом месте. Атомы, расположенные в прилегающих к дислокации плоскостях, сдвигаются из своего нормального (равновесного) положения в данной решетке. Стремление этих атомов к упорядоченному расположению и вызывает появление внутренних межатомных напряжений. Мартенситная структура, возникающая в стали после закалки, характеризуется большим числом дислокаций. Кроме того, мартенсит имеет атомную решетку, в которой между атомами железа расположены атомы углерода (см. рис. 9). Это приводит к распиранию решетки, к ее искажению, а следовательно, также вызывает внутренние межатомные напряжения.

Подводя итог всему сказанному, следует ответить на вопрос — всегда ли внутренние напряжения являются опасными и нежелательными? Нет, в ряде случаев они являются полезными и способствуют повышению прочности деталей. Такое благоприятное действие оказывают, например, сжимающие напряжения на поверхности деталей. Поясним это. Представим себе динамометр (силоизмеритель), который растягивают два человека в разные стороны с помощью тросов (рис. 22). Предположим, что стрелка динамометра показывает при этом растягивающее усилие, равное 50 кгс. Если теперь еще два человека возьмутся за тросы и будут их тянуть к динамометру, прикладывая усилие 30 кгс, то стрелка на нем покажет 20 кгс. Аналогично действуют внутренние сжимающие напряжения, образующиеся в деталях при закалке. Например, если к стержню приложить растягивающие усилия, которые создадут в нем напряжения 40 кгс/мм 2 , и если в этом стержне внутренние сжимающие напр.яжения, полученные путем закалки, равны 15 кгс/мм 2 , то напряжения, растягивающие в действительности стержень, составят 25 кгс/мм 2 . Таким образом, внутренние напряжения в данном случае как бы разгружают стержень от внешнего напряжения.

Почему же именно у поверхности внутренние сжимающие напряжения оказываются особенно полезными? Во-первых, максимальные напряжения при работе детали возникают почти всегда у поверхности. Во-вторых, наиболее опасными являются растягивающие напряжения, особенно при наличии каких-либо дефектов на поверхности. Это наглядно иллюстрирует следующий пример. Возьмем школьный резиновый ластик для стирания и сделам на нем с двух сторон небольшие поперечные надрезы. Теперь, сдавливая двумя пальцами с торцовых сторон этот ластик, изогнем его по дуге. Легко можно

7. ПРИЧИНЫ ДЕФОРМАЦИИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЗАКАЛКЕ

В результате закалки может произойти изменение формы и размеров деталей. Кольцо шарикоподшипника, например, может принять форму овала, ось валика может изогнуться по дуге и т. п. Кроме тога, возможно изменение объема детали, в результате чего изменяются точные размеры, приданные ей предшествовавшей механической обработкой.

Под короблением обычно понимают искажение формы изделий, а поводкой называют нарушение размеров, вызванное изменением объема. Такое толкование, конечно, несколько условно, поскольку любое изменение формы неизбежно сопровождается изменением размеров.

Рассмотрим, какие причины вызывают коробление. Оно может возникнуть при нагреве изделий. Это происходит в том случае, если они при укладке в печи прогибаются под действием собственной массы или массы других деталей, а также при неравномерном нагреве в печи, когда одна сторона детали нагревается быстрее другой. Например, если со стороны загрузочного окна печи происходит подстуживание, то поверхность детали, обращенная к окну, будет иметь более низкую температуру, и в результате произойдет выгиб ее, коробление. Из этого можно заключить, что в условиях правильного нагрева коробление можно свести к минимуму.

При закалке, когда происходят резкое охлаждение и структурные превращения в стали, избежать коробления и поводки практически невозможно. Однако можно свести их к минимальным значениям. Посмотрим, как это сделать. Главная причина коробления — неравномерность охлаждения деталей при закалке. Это вызывает неравномерность объемных изменений, что, в свою очередь, приводит к внутренним напряжениям, а они-то уже и вызывают коробление. Так происходит, например, при закалке стержня, показанного на рис. 23. Как бы быстро ни опускали его в закалочную жидкость, вначале

погрузится нижняя сторона, а затем верхняя. В момент, когда нижняя часть стержня окажется в охладителе, а верхняя будет еще над его поверхностью, произойдет объемное сжатие нижней части, и стержень изогнется, как показано на рисунке. В последующий момент, когда в охладитель погрузится и верхняя часть, она также будет стремиться уменьшиться в объеме — сжаться и выгнуть стержень в другую сторону. Однако выпрямления его уже не произойдет, так как металл в этот момент уже остыл и потому утратил прежнюю пластичность. Очевидно, коробление можно уменьшить, если погружать такой стержень в закалочную жидкость в вертикальном положении. 0

Изменение размеров деталей, вызванное структурными превращениями, по своей величине сравнительно небольшое. Оно зависит от содержания углерода в стали. Повышение содержания углерода на 0,1% вызывает увеличение объема при сквозной закалке на мартенсит всего на 0,1%. Значит, при закалке стали У10, содержащей 1% С, объем увеличится на 1%. Тем не менее при изготовлении точных изделий (калибров, мерных плиток) и такое малое изменение размеров недопустимо. В этих случаях иногда применяют бездеформационную закалку. Такое название, конечно, условное, поскольку полностью избежать деформации практически невозможно. Можно лишь свести ее к желаемому минимуму.

Рис. 23. Изгиб стержня при закалке

Сущность бездеформационной закалки заключается в следующем. Деталь подвергается полной механической обработке на точные размеры до закалки, когда сталь

Рис. 24. Изменение формы под действием термических напряжений

имеет перлитную структуру. При нагреве под закалку перлит превратится в аустенит. Если бы после закалки удалось полностью сохранить аустенитную структуру, то объем детали стал бы меньше исходного, который был при перлитной структуре. Если же при закалке аустенит полностью превратится в мартенсит, то объем станет больше исходного. Очевидно, если закалку произвести так, чтобы получить количество мартенсита и остаточного аустенита в определенном соотношении, то объем детали, а значит и ее размеры, не будут изменяться. Правда, получить требуемое количество остаточного аустенита в углеродистой стали трудно. Так, например, в стали У13 его должно быть 60%, а в стали У8 — 35%, что вообще недостижимо. Зато в легированных сталях, например марки ХГ, это вполне осуществимо. Регулирование количества остаточного аустенита достигается изменением температуры закалки и скорости охлаждения.

Несмотря на то, что при закалке на мартенсит объем увеличивается, это не означает, что все размеры детали возрастают. Так, при закалке цилиндра большой высоты диаметр, особенно в средней части, уменьшается, а высота увеличивается; при закалке цилиндров, у которых высота меньше диаметра,— наоборот, уменьшается высота, но увеличивается диаметр; полосы и листы увеличиваются по ширине, а по длине иногда уменьшаются; кольца увеличиваются по ширине и толщине, а по Диаметру — уменьшаются.

Термические напряжения стремятся так изменить Форму изделия, чтобы она приближалась к форме шара.

Например, в детали в виде куба в результате термических напряжений грани становятся выпуклыми (рис. 24,а), цилиндр сокращается по длине и увеличивается по диаметру (рис. 24,6). В результате общая картина деформаций настолько усложняется, что заранее предвидеть все возможные изменения размеров детали после закалки во многих случаях не представляется возможным, и вопрос решается опытным путем.

Поскольку макротрещины являются результатом воздействия напряжений первого рода, то очевидно, что их расположение и глубина распространения должны определяться распределением напряжений в объеме изделия.

Хрупкое разрушение чистых металлов и многих пластичных сплавов при комнатной температуре можно вызвать двухосным или трехосным приложением растягивающих внешних усилий; в случае сжимающих усилий металлы разрушаются от касательных напряжений сдвигом, т. е. разрушаются вязко. Это справедливо для материалов и напряженного состояния, при котором проявляются пластические свойства материала. Хрупкие материалы, к которым относится и закаленная сталь, могут разрушаться не только от растягивающих, но и сжимающих напряжений, что хорошо выявляется при одноосном сжатии [50], при котором разрушение происходит по направлению действующего усилия. В данном случае излом проходит перпендикулярно поперечным растягивающим деформациям, т. е. в направлении, в котором согласно понятиям теории упругости растягивающие напряжения отсутствуют. Поэтому целесообразно разрушение хрупких материалов рассматривать по отношению к деформациям растяжения.

В процессе механических испытаний при любом способе приложения внешних усилий, даже одноосном, образец деформируется в трех направлениях и, по существу, в нем всегда возникает объемное деформированное состояние. При одноосном растяжении в направлении действующего усилия появляются деформации растяжения, а в двух других направлениях — сжатия (фиг. 4, а). Хрупкие материалы при растяжении разрушаются перпендикулярно направлению усилия, т. е. перпендикулярно максимальной деформации растяжения.

Одноосное сжатие в направлении действующего усилия вызывает деформацию сжатия, но в двух остальных направлениях— деформации растяжения и перпендикулярно деформациям растяжения наступает разрушение (фиг. 4, б).

При двухосном и трехосном приложении сил растяжения или сжатия хрупкое разрушение также будет направлено перпендикулярно наибольшей деформации растяжения. Двухосное равномерное растяжение изотропных материалов может привести к одновременному разрушению образца в четырех направлениях Двухосное равномерное сжатие (фиг. 4, г) вызывает растягивание в одном направлении и разрушение возможно также в одном направлении, нормальном к деформации.

Закалочные трещины могут образоваться в зоне, подвергнутой не только растягивающим, но и сжимающим напряжениям, при этом они направляются перпендикулярно максимальной деформации растяжения.

При трехосном приложении усилий, когда в двух направлениях действуют растягивающие, а в одном — сжимающие напряжения, последние должны способствовать хрупкому разрушению, поскольку они увеличивают деформацию растяжения (фиг. 4, д), вызываемую растягивающими усилиями.

Термическая обработка создает в изделиях объемно-напряженное состояние. В элементарном объеме очень часто возникает напряженное состояние, аналогичное описанному выше, когда в двух направлениях действуют растягивающие напряжения и в одном — сжимающие. Такое напряженное состояние должно быть опасным для образования трещин.

Объемное напряженное состояние изделий характеризуется различным распределением напряжений по сечению. В одних случаях напряжения меняются по величине постепенно, в других случаях напряжения по величине и знаку изменяются резко (в пределах сотых долей миллиметра). Последнее часто наблюдается в тонких поверхностных слоях изделия, в которых напряжения сжатия или растяжения значительно превышают (до нескольких раз) максимальные напряжения в сердцевине. В этом случае поверхностный тонкий слой можно рассматривать как самостоятельную зону, находящуюся в плосконапряженном состоянии

Макротрещины, возникающие в изделиях, должны располагаться в соответствии с напряженным состоянием: при напряженном состоянии во всем объеме изделия следует ожидать образования глубоких трещин, а при двухосном напряженном состоянии в поверхностном слое — образования поверхностных трещин. Многолетние наблюдения над образованием макротрещин в изделиях, изготовляемых из высоко- и среднеуглеродистой легированной и нелегированной стали, а также низкоуглеродистой цементуемой стали, привели к выводу, что трещины, возникающие в изделиях при термической обработке, также можно подразделить на две группы: глубокие и поверхностные. Каждая

группа трещин подразделяется на две разновидности: выходящих на поверхность изделия и внутренних. Классификация трещин приводится на фиг. 5, согласно которой макротрещийы, возникающие при термической обработке изделия, подразделяются на четыре типа. Пятым типом трещин являются микротрещины, позникающие от напряжений второго рода.

Первый тип трещин — трещины глубокие, раскрывающиеся от поверхности изделия (фиг. 6). Они могут быть продольными или изменять направление в зависимости от конфигурации изделия (концентраторов напряжений). Продольное направление трещин чаще наблюдается в тех изделиях, длина которых превышает их диаметр или толщину, и даже в изделиях сложной формы. Например, на поверхности фрезы, изготовленной из быстрорежущей стали (фиг. 6, а), трещины имеют различные направления, но если эту фрезу сломать по трещинам, то обнаружится их преимущественное направление вдоль оси (фиг. 6,6).

Как показали наблюдения, трещины первого типа возникают в полностью прокаливающихся изделиях. В данном случае под прокаливаемостью понимается слой с мартёнситной структурой, когда твердость сердцевины изделия равна или ниже (не более чем на HRC 1—3) твердости поверхности. В этом случае в поверхностном слое изделия возникают, как правило, растягивающие напряжения, а распределение их по сечению соответствует схеме, приведенной на фиг. 5 для данного типа трещин.

Если исходить из общих представлений об образовании трещин, то следует предположить, что трещины первого типа могут появиться в любом слое стали, где деформация растяжения (в тангенциальном 'направлении) превосходит способность стали к удлинению при данном напряженном состоянии. Вместе с тем практически наблюдается, что наибольшая склонность к трещинам первого типа проявляется в образцах со сквозной прокаливаемостью, когда на поверхности обнаруживаются преимущественно напряжения растяжения (фиг. 5, а). Такое напряженное состояние характерно для прокаливающихся образцов после охлаждения в воде. Очевидно, неодновременность структурных превращений, возникающая при резком охлаждении, вызывает напряжения растяжения в поверхностном слое. Логично предположить, что если под действием растягивающих напряжений в сердцевине возникают трещины, то должны встречаться хотя бы отдельные случаи, когда в изделиях обнаруживаются внутренние продольные трещины. Однако таких трещин пока не отмечалось. По-видимому, практически внутренние напряжения в сердцевине изделий, могущие вызвать деформацию растяжения в тангенциальном направлении, достаточную для разрушения, образуются редко.

Известно, что в цилиндрических образцах после термической обработки осевые напряжения имеют, как правило, большую, а радиальные напряжения — меньшую величину. Казалось бы, и трещины должны возникать от наибольших осевых напряжений. Но в этом случае они располагались бы перпендикулярно оси, а в действительности трещины бывают направлены вдоль оси. Продольное расположение их вызывается тангенциальными напряжениями, хотя величина этих напряжений, как правило, несколько меньше осевых. Продольное расположение трещин в некоторой степени, очевидно, объясняется анизотропией свойств стали. Многие детали, а также и инструмент изготовляются из проката. Прокат, как известно, в продольном и поперечном направлениях имеет различные свойства. При испытании поперечных образцов по сравнению с продольными образцами ([50] обнаруживается понижение следующих механических свойств: пластичности, сопротивления отрыву, истинного сопротивления разрушению. В закаленной на мартенсит инструментальной стали сопротивление отрыву при разрушении поперечных образцов на 30—50% меньше, чем при разрушении продольных образцов.

Второй тип трещин — внутренние дугообразные, отличающиеся от трещин первого типа не только глубиной залегания, но и расположением (фиг. 5, б). Они располагаются главным образом внутри углов изделий. Если изделие имеет небольшую толщину, то трещины, располагаясь в углах, сливаются и принимают дугообразную форму (фиг. 7). Не исключена возможность выхода внутренних трещин на поверхность изделий. Они называются внутренними потому, что берут начало из сердцевинных слоев и только вследствие перераспределения напряжений и повышенной хрупкости стали часто распространяются до поверхности. Внутренние трещины, не выходящие на поверхность после закалки, выявляются после сколов углов изделий или вершин зубьев (фиг. 7, г).

Трещины второго типа возникают в непрокаливающихся или цементованных изделиях. В таких изделиях поверхностный закаленный слой имеет большой удельный объем по сравнению с сердцевиной. Вследствие этого поверхностный слой стремится расшириться и подвергает сердцевину растяжению. Сам поверхностный слой в этом случае будет находиться под воздействием сжимающих напряжений. Распределение напряжений в цементованных или непрокаливающихся образцах неоднократно исслеловалось различными авторами; оно соответствует напряженно му состоянию, схематически представленному на фиг. 5, б. Трещины возникают в зоне, подвергнутой растягивающим напряжениям. Преимущественное образование внутренних трещин в

углах следует объяснить наличием в них объемных растягивающих напряжений. Закаленный или цементованный слой в углах воздействует на сердцевину с трех сторон, создавая напряженное состояние, затрудняющее пластическую деформацию стали и облегчающее образование трещин.

Третий тип трещин — поверхностные, проникающие ιι;ι глубину от 0,01 до 1,5—2 мм. На поверхности эти трещины имеют произвольное направление, не связанное с конфигурацией .изделия. В зависимости от глубины они по-разному выявляются на поверхности изделия.

Трещины, проникающие в глубину до нескольких сотых миллиметра, образуют на поверхности изделия мелкую сетку (фиг. 8, а) . При увеличении глубины трещин ячейки сетки укрупняются, затем сетка становится слабо замкнутой (фиг. 8, б), и, наконец, при глубине около 1,0 мм на поверхности появляется несколько трещин произвольного (фиг. 8,- в) или продольного (фиг. 8, г) направления.

Трещины третьего типа образуются в том случае, когда по каким-либо причинам в поверхностных слоях возникают растягивающие напряжения, а способность металла этих слоев к деформации оказывается недостаточной (см. фиг. 5, в).

Четвертый тип трещин — трещины отслаивания и сколов (см. фиг. 5, г). Для примера приведем многочисленные случаи отслаивания поверхностной корки после шлифования, а также отслаивания диффузионных слоев, полученных химико-термической обработкой. Но к трещинам отслаивания относится значительно более широкий круг встречающихся трещин, и расположение их вблизи поверхности изделия является частным случаем. Анализ многих изделий с трещинами отслаивания приводит к выводу, что трещины появляются вследствие действия сжимающих напряжений и возникают от растягивающих поперечных деформаций.

Трещины отслаивания располагаются вдоль структурных зон, подвергнутых сжатию и отличающихся повышенной хрупкостью. Известна возможность такого разрушения в хрупких материалах при одноосном сжатии [50]. Однако трещины отслаивания возни кают только в том случае, когда напряжения от растягивающих к сжимающим переходят в очень узкой зоне, равной тысячным или сотым миллиметра, т. е. когда знак напряжений меняется в микрослоях (см. фиг. 5, г).

Обычно трещины отслаивания располагаются в структурной зоне малой толщины, напряженное состояние которой можно рассматривать как двухосное равномерное сжатие. Наглядно это можно показать следующим.

Если в зоне образования трещин четвертого типа возникает объемное напряженное состояние и, помимо напряжений двухосного сжатия, появляются и растягивающие напряжения в третьем направлении (радиальном), то они будут способствовать образованию этих трещин.

В изделии одновременно могут присутствовать глубокие и поверхностные трещины. Пример наличия в изделии трещин первого и третьего типов приведен на фиг. 12, где глубокие и большие трещины появились от объемного напряженного состояния, а поверхностные и мелкие вызваны наличием дополнительного напряжения в поверхностном слое изделия. Поскольку глубокие трещины вызываются напряжениями, действующими во всем объеме изделия, то, очевидно, причину их образования следует искать в технологических условиях, влияющих на напряженное состояние объема (например, перепад температур по сечению изделий при сквозном нагреве и охлаждении). Появление поверхностных трещин связано с явлениями, происходящими в поверхностных слоях (изменение состава стали вследствие химико-термических процессов, протекающих в поверхностных слоях, резкий разогрев поверхности и др.).

На основании изучения причин, приводящих к образованию трещин при обработке конкретных изделий, по виду трещин можно определить технологические факторы, вызывающие трещины, и указать мероприятия по их устранению. Например, установлено, что в инструменте из быстрорежущей стали, нагреваемом для закалки в соляных ваннах, поверхностные трещины вызываются наличием обезуглероженного слоя. Если трещины имеют вид мелкой сетки (а следовательно, малую глубину) и расположены по всей поверхности изделия, то обезуглероживание произошло при нагреве в соляной ванне, а если поверхностные трещины располагаются с одной стороны (обычно на плоском инструменте), не образуют сетки, но расположены произвольно, то это указывает на неравномерное снятие припуска при механической обработке. Конкретные причины образования трещин и технологические мероприятия по их предупреждению будут рассмотрены ниже.

Применяемые марки стали и условия обработки настолько разнообразны, что еще встречаются трещины, причины и технологические условия образования которых еще не изучены и они «не классифицируются». Например, еще не совсем ясно, к какому типу можно отнести трещины, возникающие возле кромки изделия и направленные параллельно ей. Известны случаи образования подобных трещин в связи с обезуглероживанием и троститным превращением на .поверхности, и, очевидно, их следует отнести к третьему типу, но для окончательной классификации требуется накопление дополнительных данных.

В классификацию не включены трещины, возникающие при очень сильном перегреве стали (например, нагрев стали У12 до температуры 1200°С), когда трещины уже не имеют определенной ориентировки и иногда образуют сетку, видимую на поверхности. Образование таких трещин связано с понижением прочности границ зерен, и они сравнительно редко встречаются в практике. При классификации следует иметь в виду возможность появления сетки трещин вследствие сильного перегрева, в этом необходимо убедиться по структурному анализу или излому стали.

По мере изменения технологии термической обработки будут включаться новые технологические факторы и виды трещин, требующие специального изучения.

Подрезы (переходы сечений) увеличивают склонность изделий к образованию трещин, изменяют их направление (фиг. 13) „ но влияние технологических и металлургических факторов сохраняется для всех четырех типов трещин. Поэтому все общие закономерности, относящиеся к образцам или изделиям простой формы без резких переходов в сечении или подрезов, в равной степени относятся к изделиям сложной формы.

Пятый тип трещин — микротрещины, в отличие от перечисленных выше трещин, возникающих от напряжений первого рода, образуются под действием микронапряжений или напряжений второго рода (см. фиг. 5, д).

Поскольку напряжения второго рода действуют в пределах микрообъемов и дезориентированы, они должны вызвать трещины, также распространяющиеся на микрообъемы и тоже дезориентированные.

На возможность образования . микротрещин в стали указывается многими авторами. К этому типу относятся трещины, которые различимы под микроскопом и располагаются в пределах игл мартенсита или одного и нескольких зерен. В быстрорежущей стали, согласно данным.

Читайте также: