Теоретический раздел. Закалка на мартенсит заключается в медленном нагреве доэвтектоидной стали до температуры на (30 – 50) 0С выше точки АС3 (полная закалка) и заэвтектоидной на

Закалка на мартенсит заключается в медленном нагреве доэвтектоидной стали до температуры на (30 – 50) ⁰С выше точки А_С3 (полная закалка) и заэвтектоидной на (30 – 50) ⁰С выше точки А_С1 (неполная закалка), выдержке при этих температурах и последующем быстром охлаждении со скоростью выше критической до комнатной температуры.

Выдержка при постоянной температуре нужна для выравнивания температуры, микроструктуры между поверхностью и сердцевиной детали (неравномерность возникает из-за низкой теплопроводности стали)

Охлаждающей средой для углеродистых сталей служит пресная вода, а для легированных – минеральное масло или водные растворы полимеров.

Оптимальные температуры под закалку определяются по формулам:

,

где t₀ и - оптимальные температуры нагрева под закалку для доэвтектоидной и заэвтектоидной стали соответственно; А_С3 и А_С1 – критические точки стали.

В результате такой обработки образуется мелкоигольчатый мартенсит, который является основной структурной составляющей закаленной стали. Из-за резкого искажения (тетрагональности) кристаллической решетки мартенсита сильно увеличивается плотность дислокаций стали – главной цели закалки.

Способность стали приобретать максимальную твердость после закалки называется закаливаемостью. Она зависит от содержания углерода в стали, а, следовательно, и в мартенсите, что показано на рисунке 1.

Легирующие элементы в стали оказывают на нее незначительное влияние.

Рисунок 1 – Зависимость твердости углеродистых сталей после закалки от содержания в ней углерода (кривая закаливаемости)

Если микроструктурные превращения (изменения), происходящие при нагреве стали, легко проследить по диаграмме железо-углерод, то при закалке это можно сделать с помощью мартенситных кривых, изображенных на рисунке 2.

Превращение аустенита в мартенсит совершается с большой скоростью, но не сразу по всему объему. Поэтому, чтобы весь аустенит превратился в мартенсит, требуется некоторое время. Температура начала и конца превращения зависит от содержания углерода в стали (рисунок 2).

Для каждой марки стали превращение начинается всегда при одной и той же температуре (линия М_н) и заканчивается при другой постоянной температуре (линия М_к).

Низкоуглеродистые стали не закаливаются. Это объясняется тем, что превращения аустенита в мартенсит, например, для стали 20, завершается при температуре 350 ⁰С. При такой высокой температуре подвижность атомов углерода сохраняется еще сравнительно высокой, и во время дальнейшего охлаждения до комнатной температуры, образовавшийся мартенсит превратится в перлит + феррит, а, следовательно, не достигается высокая твердость у стали.

Структуры стали после закалки: 0 - 0, 2%С – Ф+П; 0, 25 - 0, 6%С – М_з;

0, 6 - 0, 8%С – М_з + А_ост; 0, 8 - 1, 6%С – М_з+ Ц+А_ост

Рисунок 2 – Влияние содержания углерода в стали на температуры начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения (мартенситные кривые)

В доэвтектоидной стали с увеличением температуры аустенизации растут размеры зерен аустенита за счет слияния сравнительно мелких в крупные. Если зерно аустенита выросло до крупных размеров, то и получаемый после закалки мартенсит будет крупноигольчатым. Сталь с крупноигольчатым мартенситом по сравнению с мелкоигольчатым имеет пониженные механические свойства, особенно ударную вязкость.

В заэвтектоидной стали при нагреве выше оптимальной закалочной температуры (до А_Cm) зерно аустенита увеличивается за счет растворения в нем цементита и, как следствие, в нем растет содержание углерода. При температуре А_Cm происходит полное растворение цементита, а при дальнейшем нагреве более резкий рост зерен аустенита за счет слияния более мелких в крупные.

В результате после закалки в воде (25 ⁰С) образуется крупноигольчатый мартенсит и остаточный аустенит, количество которого тем больше, чем выше температура перегрева (по правилу отрезков). Как следствие, понижается твердость, ударная вязкость и шлифуемость закаленной стали.

Дефекты зеренной структуры устраняются повторным нагревом до оптимальной температуры (полный отжиг или нормализация). В то же время дефекты типа «пережог» являются неисправимым браком.

Недогрев возникает в том случае, если доэвтектоидная сталь нагревается до межкритического интервала температур (А_С1 – А_С3), в котором наряду с аустенитом присутствует феррит. После закалки происходит А М превращение, а феррит остается в структуре стали, снижая ее твердость. Поэтому из-за недостаточной твердости закалку стали от межкритического интервала температур не производят.

При нагреве заэвтектоидной стали ниже оптимальной закалочной температуры в аустените не успевает в полной мере раствориться углерод, содержащийся в перлите. В результате снижается твердость мартенсита и стали. Недогревы исправляются повторным нагревом до оптимальных закалочных температур.