Что такое закаливаемость металла


Прокаливаемость и закаливаемость стали — Студопедия

Прокаливаемость важнейшая характеристика стали, определяющая выбор марки стали в зависимости от размеров закаливаемой заготовки.

Закаливаемость стали характеризует твердость правильно закаленной стали и измеряется в единицах твердости. Чем больше содержание в стали углерода, тем больше искажения решетки мартенсита и выше твердость. Легирующие элементы на закаливаемость влияют слабо.

Прокаливаемость – это способность стали получать закаленный слой определенной глубины. Скорость охлаждения уменьшается от поверхности детали к центру, поэтому при большой толщине детали может оказаться, что в ее сердцевине скорость охлаждения меньше критической (рис.49). В этом случае на мартенсит закалится только поверхностный слой детали, а сердцевина будет незакаленной, с мягкой феррито-перлитной структурой.

Рис. 49. Изменение скорости охлаждения по сечению детали

Прокаливаемость это расстояние от поверхности до того места, где в структуре наблюдается 50% мартенсита и 50% троостита (полумартенситная зона). Твердость полумартенситной зоны зависит от содержания углерода в стали (рис.50). Прокаливаемость выражается в мм и зависит от состава стали, а точнее от величины критической скорости закалки. С увеличением содержания углерода и легирующих элементов, критическая скорость закалки уменьшается, и глубина прокаливаемости увеличивается.

Рис. 50 Твердость полумартенситной зоны углеродистой стали.

Для характеристики прокаливаемости стали в справочниках приводят величину критического диаметра.


Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в конкретной охлаждающей среде.

Чем больше прокаливаемость стали, тем лучше. Углеродистая сталь при охлаждении в воде имеет критический диаметр всего 10-15 мм. Прокаливаемость стали зависит главным образом от содержания легирующих элементов, которые затрудняют диффузионный распад аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость охлаждения при закалке. Чем больше легирующих элементов в стали, тем выше ее прокаливаемость. Чем больше размер заготовки, тем более легированная сталь должна быть применена. Кроме того прокаливаемость больше при увеличении размера зерна аустенита и повышении его химической однородности.

Закаливаемость и прокаливаемость сталей определяют опытным путем. Значения этих характеристик для различных сталей приведены в справочниках.


Для определения прокаливаемости применяют стандартный метод торцевой закалки. Стандартный цилиндрический образец после нагрева в печи быстро переносят в специальную установку, в которой его охлаждают струей воды под напором только с торца. После полного охлаждения по его образующей производят замер твердости, начиная от торца, и строят кривую прокаливаемости. Величину прокаливаемости определяют по расстоянию от торца до полумартенситной зоны (рис.51), твердость которой известна заранее по экспериментальным данным, и определяется в основном содержанием углерода.

Рис. 51. Изменение твердости по длине образца после торцевой закалки.

Определение критического диаметра для изделий простой формы (шар, цилиндр, параллепипед) может быть проведено с достаточно высокой точностью с помощью специальной номограммы (рис.52). Исходной физической характеристикой является расстояние до полумартенситной зоны, полученное экспериментально в результате торцевой закалки. Эта величина откладывается на шкале сверху номограммы. От этой точки опускается перпендикуляр до линии идеального охлаждения и из нее проводится горизонтальная линия до пересечения с линией охлаждения в воде, в масле, или на воздухе. А из этих точек опускаются перпендикуляры до шкал тела определенной формы расположенных внизу номограммы.

Рис. 52. Определение критического диаметра по данным торцевой закалки

Что такое прокаливаемость?

Прокаливаемость - это термин, используемый для описания способности материала затвердевать, когда он подвергается нагреву, а затем закаливается или быстро охлаждается. Ее не следует путать с твердостью и , что означает прочность материала и его способность противостоять повреждениям. Вместо этого способность к упрочнению определяет, можно ли сделать объект более твердым или он устойчив к затвердеванию. Этот термин используется только для обозначения металлических предметов, включая сталь и металлические сплавы, и не применяется к пластмассам или другим материалам.

Worker

Основной тип теста на прокаливаемость известен как тест Джомини или «закалочный» тест. Для проведения этого испытания стальной стержень нагревают до кристаллизации в гранецентрированную кубическую структуру, называемую аустенитом. После удаления источника тепла один конец аустенитного стержня немедленно подвергается воздействию струи воды для охлаждения до комнатной температуры.Этот процесс охлаждения называется закалкой.

При очень быстрой закалке образуется мартенсит - очень прочный материал. Если закалка происходит недостаточно быстро, образуется другой материал, который не такой прочный. Твердость стержня измеряется с определенным шагом от закаленного конца.Чем дальше от закаленного конца, тем медленнее скорость охлаждения, что снижает вероятность образования мартенсита.

Материал, образующий мартенсит с более низкой скоростью охлаждения, легче затвердевает. Материал, который требует очень быстрой закалки для образования мартнсита, будет труднее затвердеть.В результате, чем больше разница в твердости между двумя концами, тем ниже закаливаемость.

Закаливаемость сталей и других металлов зависит как от состава объекта, так и от его формы или геометрии. Чем толще объект, тем медленнее скорость охлаждения в центре, что затрудняет упрочнение материала внутри.Это означает, что более толстые предметы или предметы с небольшой площадью поверхности будут иметь более низкий уровень закаливаемости, чем более мелкие или более тонкие предметы, сделанные из того же материала. В тонком объекте тепло проходит очень небольшое расстояние, поэтому скорость охлаждения может быть высокой и повышать уровень твердости.

В целом, чем выше содержание углерода в стальном изделии, тем выше будет способность стали закаливаться.Обычные элементы, добавляемые к стали для повышения ее прокаливаемости, включают бор, марганец, хром и молибден. Добавку сплавов следует производить осторожно, чтобы избежать изменения свойств стали или влияния на ее способность к закалке.

Прокаливаемость стали и ее способность свариваться обратно пропорциональны.Чем тверже сталь, тем труднее ее будет сваривать; чем ниже способность к закалке, тем легче сваривать. Испытание на закаливаемость часто используется при сварке, чтобы определить, можно ли успешно сварить два материала. Это также может помочь сварщикам выбрать электроды и сварочное оборудование или настройки.

.

Твердость и прокаливаемость: факторы и тесты

Есть определенные свойства, которые определяют прокаливаемость любого металла. Вкратце, закаливаемость зависит от следующего:

  • Количество легирующего элемента
  • Температура и время аустенизации
  • Тип охлаждающей жидкости
  • Критерий прокаливаемости
  • Размер зерна закаленного металла
  • Количество углерода в стали

Большая часть дискуссии по этой теме будет посвящена стали как одному из металлов, играющих важную роль во многих металлургических отраслях.

Количество легирующего элемента

Сплав - это смесь двух или более металлов для улучшения механических свойств металлов. Доля используемого легирующего элемента определяет характер конечного продукта. Металлические легирующие элементы замедляют скорость реакции перлита и феррита. Чем больше легирующих элементов в основном металле, тем меньше скорость реакции в этом металле. Металлические легирующие элементы повышают стабильность аустенита, что приводит к смещению кривой CCT (кривая преобразования непрерывного охлаждения) вправо.Аустенит - это твердый раствор углерода в гамма-железе. По своей структуре это Face Center Cubic (FCC).

Единственный легирующий металл элемент, который не замедляет реакцию феррита и перлита, - это кобальт. Большинство легирующих элементов повышают прокаливаемость металлов, но есть исключения. Исключение составляет феррит. Кобальт снижает прокаливаемость стали вместо увеличения по сравнению с другим легирующим элементом. В стали кобальт увеличивает зарождение и рост перлита и сдвигает CCT влево.

Некоторыми легирующими элементами, повышающими прокаливаемость, являются марганец, хром, кремний и молибден. Когда любой из этих элементов используется в соответствующей пропорции и на правильных основных металлах, закаливаемость увеличивается. Добавление легирующего элемента, такого как бор, в ограниченном количестве (от 0,003 до 0,005%) также в некоторой степени увеличивает прокаливаемость стали.

Температура и время аустенизации

Температура и время аустенитизации играют важную роль в закаливаемости стали.Кроме того, чем выше температура и время аустенизации, тем выше закаливаемость сталей. Когда сталь нагревается до очень высокой температуры и времени, зерна аустенита укрупняются. Крупность зерен стали увеличивает прокаливаемость металлических материалов.

Размер зерна

Это еще один важный фактор, определяющий закаливаемость металлов. Чем больше размер зерна любого металла, тем выше его закаливаемость. Другими словами, по мере увеличения размера зерна металлов их способность к упрочнению имеет тенденцию к увеличению.Поскольку прокаливаемость определялась как глубина проникновения твердости, это означает, что когда металл состоит из крупных зерен, а не из мелких, твердость может легко проникнуть в металл. Если размер зерна, из которого изготовлена ​​конкретная сталь, небольшой, закаливаемость этой стали будет низкой. Это так, потому что в этой точке имеется множество границ зерен, которые не могут легко дать место проникновению твердости.

Когда размер зерна аустенита большой, площадь границы зерна уменьшается.Из-за этого количество центров зародышеобразования аустенита (для стали) уменьшается, что приводит к увеличению прокаливаемости. Это средство повышения прокаливаемости иногда игнорируется из-за его отрицательного эффекта, который включает в себя хрупкость и склонность к растрескиванию.

Тип охлаждающей жидкости

Тип СОЖ, используемый при закалке металла закалкой или любым другим способом, влияет на способность металлов к закалке. Сталь превращается из аустенита в мартенсит, если ее критическая скорость охлаждения больше или равна критической скорости.Когда скорость охлаждения стали превышает критическую скорость охлаждения, закаливаемость стали увеличивается.

Уровень твердости, который получается при охлаждении стали в рассоле, отличается от того, когда та же сталь охлаждается в масле. Когда скорость отвода тепла высока, закаливаемость металла увеличивается. Например, при охлаждении в рассоле тепло выделяется легче, чем при охлаждении в масле, и это приводит к более высокой прокаливаемости, когда металл охлаждается рассолом.

Содержание углерода

Количество углерода в стали определяет максимально достижимую твердость при закалке.Содержание углерода увеличивает прокаливаемость стали. Причина в том, что углерод стабилизирует аустенит. Стабильность заставляет кривую преобразования непрерывного охлаждения смещаться вправо. Обратите внимание, что всякий раз, когда кривая CCT смещается вправо, прокаливаемость увеличивается, но при смещении влево прокаливаемость уменьшается. Очень важно знать, что закаливаемость стали зависит от элементов, из которых она состоит. Например, техническая сталь всегда содержит марганец и другие элементы в процессе экономичного производства стали, что увеличивает их твердость.Углерод фиксирует максимально достижимую твердость при закалке.

.

Прокаливаемость - обзор | Темы ScienceDirect

Кремний.

Кремний влияет на прокаливаемость и равновесное содержание углерода в аустенитной фазе. Сообщалось о нескольких исследованиях влияния Si на механические свойства 42, 49, 54, 60, 64, 65 . Влияние температуры закалки на свойства при растяжении аналогично влиянию нелегированного чугуна. Однако увеличение Si с 2,0 до 2.9% снижает оптимальную температуру отпуска для максимальной прочности с 325 до 275 ° C и увеличивает температуру для максимальной пластичности с 375 до 400 ° C.

При любой определенной температуре отпуска растяжение и предел текучести уменьшаются, а пластичность увеличивается по мере увеличения содержания Si. Это происходит из-за увеличения количества доэвтектоидного феррита и перлита в структуре. Другие измерения показали 54 , что Si может частично нейтрализовать вредное влияние Mn на свойства закаленного железа и наоборот.Si оказывает существенное влияние на вязкость разрушения чугунов, которые содержат 0,6% Ni и 0,25% Mo и подвергаются аустализации в течение 3 часов при 325 ° C. Ограниченные измерения показали, что смещение раскрытия трещины (δ c ) и эквивалентная вязкость разрушения при плоской деформации K IC увеличились на 23% и 12%, соответственно, при увеличении содержания Si с 2,6 до 3,2%. Это улучшение объясняется более высокой долей остаточного аустенита. Luyendijk 64 показал, что Si увеличивает ударную вязкость и снижает ударный переход

.

Прокаливаемость сталей

Традиционный путь к высокой прочности сталей - закалка с образованием мартенсита. который впоследствии повторно нагревается или отпускается при промежуточной температуре, увеличивая прочность стали без слишком большой потери прочности. Поэтому для Для оптимального развития прочности сталь сначала необходимо полностью превратить в мартенсит.

Для этого сталь необходимо закаливать с достаточно высокой скоростью, чтобы избежать разложение аустенита при охлаждении на такие продукты, как феррит, перлит и бейнит.Эффективность закалки будет зависеть в первую очередь от двух факторов:

  • геометрия образца, а
  • состав стали.
Стержень большого диаметра, закаленный в определенной среде, очевидно, будет охлаждаться медленнее. чем стержень малого диаметра, подвергнутый аналогичной обработке. Поэтому маленький стержень больше вероятно, станет полностью мартенситным.

Уже было показано, что добавление легирующих элементов в сталь обычно сдвинуть кривую TTT на более длительное время, тем самым облегчая прохождение носа кривая во время закалки, т.е.е. наличие легирующих элементов снижает критическая скорость охлаждения, необходимая для превращения стального образца в полностью мартенситный. Если эта критическая скорость охлаждения не достигается, стальной стержень будет мартенситным в внешние области, которые охлаждаются быстрее, но в ядре более низкая скорость охлаждения будет дают начало бейниту, ферриту и перлиту в зависимости от конкретных обстоятельств.

Способность стали образовывать мартенсит при закалке называется способностью к закалке.Для стальных стержней стандартного размера это может быть просто выражено как расстояние ниже поверхность, на которой происходит 50% превращение в мартенсит после стандартного закалка, и, таким образом, является мерой глубины упрочнения.

Использование диаграмм TTT и CCT

Диаграммы TTT- Диаграммы TTT являются хорошей отправной точкой для обследования прокаливаемости, но поскольку они являются утверждениями кинетики превращения аустенит проводится изотермически, они могут быть только ориентировочными.Возьмем один пример: эффект увеличения количества молибдена, Рисунок 1. показывает диаграммы TTT для 0,4% C 0,2% Mo сталь и сталь с 0,3% C 2% Mo , рис. 2. 0,2% Mo Сталь начинает трансформироваться примерно за одну секунду при 550 ° C, но на при увеличении содержания молибдена до 2% вся C-кривая поднимается, и реакция существенно увеличивается. замедлился до температуры выше 700 ° C, реакция началась через 4 минуты. Последняя сталь явно будет иметь значительно более высокую закаливаемость по сравнению с 0.2 Mo сталь.

Диаграммы CCT- Очевидные ограничения использования изотермических диаграмм для ситуации, включающие диапазон скоростей охлаждения через температуру превращения диапазона привели к попыткам разработать более реалистичные диаграммы, то есть непрерывное охлаждение (CCT) диаграммы. Эти диаграммы фиксируют прогресс трансформации при падении температура для ряда скоростей охлаждения. Их определяют с помощью цилиндрических стержней, которые подвергаются разной скорости охлаждения, и начало превращения обнаруживается дилатометрией, магнитной проницаемостью или другим физическим методом.В продукты превращения, будь то феррит, перлит или бейнит, частично являются определяется из изотермических диаграмм и может быть подтверждено металлографическим экспертиза.

Затем результаты наносятся на диаграмму температуры / времени охлаждения, в которой записывается, для Например, время достижения начала перлитной реакции в диапазоне охлаждения тарифы. Эта серия результатов приведет к появлению границы аустенит-перлит на диаграмму и аналогичные линии, показывающие начало превращения бейнита, можно построен.

Принципиальная схема представлена ​​на рисунке 3., на котором границы для феррита, перлита, бейнит и мартенсит показаны для гипотетической стали. Диаграмму лучше всего использовать наложение прозрачного листа наложения с такими же масштабами и линиями изображающие различные скорости охлаждения, нарисованные на нем. Фазы производятся в выбранном скорость охлаждения - это скорость, с которой наложенная линия пересекает непрерывную схема охлаждения. На рисунке 3 наложены две типичные кривые охлаждения для поверхности. и центр закаленного в масле стержня диаметром 95 мм.В этом примере это должно быть отметил, что центральная кривая охлаждения пересекает область бейнита и, следовательно, некоторое количество бейнита можно ожидать в сердцевине стержня после закалки в масле.


Рисунок 1. ТТТ-диаграмма молибденовой стали 0,4С 0,2Мо.

Рисунок 2. ТТТ-диаграмма молибденовой стали 0,3С 2,0Мо.

Рис. 3. Связь между кривыми охлаждения поверхности и ядра закаленный в масле пруток диаметром 95 мм и микроструктура

Испытание на прокаливаемость

Скорость разложения аустенита с образованием феррита, перлита и бейнита составляет зависит от состава стали, а также от других факторов, таких как размер зерна аустенита и степень однородности распределения легирования элементы.Исключительно сложно предсказать прокаливаемость целиком на базовых принципах. и полагается на один из нескольких практических испытаний, которые позволяют из любой стали, подлежащей быстрому определению:
  • Тест Гроссмана
  • Испытание на закалку в конце Джомини

Влияние размера зерна и химического состава на прокаливаемость

Двумя наиболее важными переменными, влияющими на прокаливаемость, являются размер зерна и сочинение.

Прокаливаемость увеличивается с увеличением размера зерна аустенита, поскольку зерно граничная площадь уменьшается.Это означает, что места зарождения феррита и перлит сокращаются в количестве, в результате чего эти превращения замедляются, и, следовательно, повышается прокаливаемость.

Аналогичным образом, большинство металлических легирующих элементов замедляют реакции феррита и перлита, и, таким образом, также увеличивает прокаливаемость. Однако количественная оценка этих эффектов необходимо.

Поразительное количество сталей, состав которых обычно сложен. и определяется в большинстве случаев спецификациями, в которых указаны диапазоны концентраций важные легирующие элементы, вместе с верхними пределами примесных элементов, таких как сера и фосфор.

Хотя легирующие элементы используются по разным причинам, наиболее важной из них является достижение более высокой прочности в требуемых формах и размерах и часто в очень больших секции, диаметр которых может достигать метра и более в случае больших валов и роторы. Следовательно, прокаливаемость имеет огромное значение, и нужно стремиться к соответствующие концентрации легирующего элемента, необходимые для полного отверждения сечения рассматриваемая сталь.Точно так же есть небольшой смысл в использовании слишком высокого концентрация легирующего элемента, т.е. больше, чем необходимо для полного затвердевания необходимые разделы.

Легирующие элементы обычно намного дороже железа, а в некоторых случаях истощение природных ресурсов, поэтому есть дополнительная причина для их эффективного использования в термической обработке. Углерод оказывает заметное влияние на закаливаемость, но его использование при более высоких уровни ограничены, из-за недостаточной прочности, что приводит к большему сложность изготовления и, самое главное, повышенная вероятность перекоса и растрескивание при термообработке и сварке.

Самый экономичный способ повысить прокаливаемость простой углеродистой стали - это увеличить содержание марганца с 0,60 мас.% до 1,40 мас.%, что дает существенное улучшение прокаливаемости. Хром и молибден также очень эффективны, и среди более дешевых легирующих добавок на единицу повышенной прокаливаемости. Бор имеет особенно большой эффект при добавлении к полностью раскисленному низкоуглеродистому стали даже в концентрациях порядка 0.001%, и будет более широко использоваться, если его распространение в стали можно было бы легче контролировать.

Данные по упрочняемости в настоящее время существуют для широкого диапазона сталей в виде максимальной и минимальные кривые закаливаемости при торцевой закалке, обычно называемые полосами прокаливаемости. Эти данные доступны для очень многих сталей, перечисленных в спецификациях, таких как те из Американского общества автомобильных инженеров (SAE), American Iron and Институт стали (AISI) и британские стандарты.

.

Смотрите также