Глава 3. Факторы, способствующие возникновению и распределению остаточных напряжений в деталях при термообработке

Термическая обработка связана с процессами нагрева и охлаждения металла, при которых существенно меняются его свойства (прежде всего прочностные) и возникают факторы, которые способны вызвать деформацию и\или коробление изделия.

К основным из них относятся:

1 -состав и неоднородность химического состава металла по сечению, соответственно анизотропия его структуры и свойств, что обусловливает также и неодновременное протекание структурных и фазовых превращений при термообработке, прокаливаемость стали, склонность к росту зерна стали;

2 -температурный градиент по сечению детали при различных скоростях при нагреве или охлаждении (т.е. возникновение разницы температуры между различными участками детали, что приводит к различным объемным изменениям металла), зависит от скорости нагрева (охлаждения), теплопроводности металла и свойств охлаждающей среды;

3 -характер закалочной среды;

4 -равномерность нагрева и охлаждения изделия;

5 -вес и геометрия термообрабатываемого изделия;

6 - температура нагрева под режим термообработки;

7 -способ нагрева металла до заданной температуры;

8 -способ закалочного охлаждения детали и температура конца принудительного охлаждения изделия;

9 -исходная структура металла детали перед закалкой;

О влиянии указанных факторов на уровень коробления и деформации известно следующее:

1.Химический состав:

а) повышение концентрации углерода на 0,1% вызывает увеличение объема при сквозной мартенситной прокаливаемости примерно на 0,1%;

б) легированные стали с более низкой теплопроводностью по сравнению с низколегированными и углеродистыми сталями нельзя подвергать ускоренному нагреву и охлаждению из-за увеличения термического градиента по сечению и уровня термических и структурных напряжений;

в) низкая устойчивость аустенита к распаду при переохлаждении предопределяет быстрое охлаждения изделия при закалке на мартенсит, соответственно увеличение термического градиента и уровня напряжений в металле. Кроме этого для таких сталей сложно достигнуть критической скорости охлаждения в случае закалки массивных деталей;

г) стали с низкой мартенситной прокаливаемостью склонны к большему короблению;

д) стали, склонные к росту действительного аустенитного зерна при нагреве (например, марганцовистые), дают большую деформацию и коробление при закалке;

е) при наличии сильной карбидной неоднородности в металле заготовки при закалке происходит увеличение размеров детали вдоль направления проката и уменьшение размеров в направлении поперек прокатки;

ж) применение легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита к распаду позволяет использовать закалочные среды с низкой интенсивностью охлаждения и способы закалки, позволяющие уменьшать возникающие напряжения в процессе охлаждения (например, режим купания);

2.Скорость нагрева и охлаждения.

Высокая интенсивность охлаждения при закалке нежелательна из-за возникновения высокого уровня термического градиента и тепловых напряжений (см.рис.5 и 6).

К идеальному варианту охлаждения при закалке можно отнести режим: ускоренное охлаждение в области интервала температур перлитного превращения (650-550⁰С) аустенита (для подавления перлитного превращения) и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения (ниже 300⁰С). Увеличение скорости охлаждения для сталей с низкой мартенситной прокаливаемостью до уровня ≥V_кр приводит к увеличению перепада температур по сечению изделия и вероятности возникновения коробления или деформации (сравнить рис. 5 и 6). Поэтому целесообразно для изделий сложной формы и большой разнотолщинности выбирать стали с высокой устойчивостью аустенита к распаду при переохлаждении и повышенной температурой Мн, т.е. использовать низколегированные или легированные стали.