Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf

щих магнитометров, позволяющих изучать распад остаточного аус­

ного аустенита применен в работах [259, 262], в которых изучалась температурная зависимость эффектов отпуска от скорости нагрева в углеродистой стали У12 и хромистых сталях типа ШХ6 и ШХ15. Выбор этих марок сталей был обусловлен тем, что при закалке в воду (в описываемом случае от 1000° С) содержание остаточного аустенита в них достигает 20—25%. Полученные эксперименталь­ ные результаты приведены на рис. 98. Температура всех эффектов

динатах. Интервал температур распада остаточного аустенита сме­ щается заметно быстрее, чем интервалы первого и третьего превра­

туры эффектов отпуска [263] при различных скоростях печного на­ грева. Как видим, распад остаточного аустенита может происходить в широкой области температур и при больших скоростях нагрева даже может перекрывать интервал третьего превращения. Это оз­ начает, что при больших скоростях нагрева (зависящих от степени легирования стали) может полностью завершиться третье превра­ щение, а распад остаточного аустенита к этому моменту еще не нач­ нется.

Рассмотрим влияние содержания углерода и легирующих эле­ ментов на температурные условия распада мартенсита при быстром нагреве. В работе [264] изучено влияние скорости нагрева (до 10 000 град/сек) на температурные интервалы отпуска при нагреве закаленных сталей с различным содержанием углерода, а также

сделана попытка проследить, как влияют небольшие добавки мар­ ганца на температурные интервалы эффектов отпуска при нагре­ ве синтетической стали 60Г2. Полученные результаты подтверждают линейную зависимость температурных интервалов превращения от скорости нагрева. Температурные области первого и третьего эф­ фектов отпуска смещаются параллельно. Это свидетельствует в поль­ зу того, что кинетика третьего превращения, как и первого, обус­ ловлена процессами диффузионного перераспределения атомов уг­ лерода. Анализируя данные о влиянии содержания углерода на температурные интервалы эффектов отпуска, важно отметить, что температура начала и конца первого и третьего эффектов отпуска зависит не от содержания углерода в твердом растворе, а от скорости нагрева. Добавка марганца почти не влияет на положение темпе­ ратурных интервалов, вероятно, потому, что зависимость диффузии углерода в феррите от содержания марганца незначительна.

Влияние структурного состояния мартенсита на кинетику про­ цессов отпуска при больших скоростях нагрева незначительно по сравнению с влиянием повышения температуры. При изотермиче­ ском распаде мартенсита от его структуры существенно зависит время полураспада [238]. При скоростном отпуске углеродистых сталей содержание углерода не влияет на температурные условия распада мартенсита, хотя на дилатограммах хорошо видно уменьше­ ние дилатометрического эффекта первого превращения в процессе отпуска при снижении содержания углерода.

Взаимозависимость содержания углерода в стали и некоторых ее характеристик, присущих первому эффекту, исследовалась в работах [265, 266]. При содержании углерода, превышающем 0,4%, зависимость между величиной теплового эффекта и концент­ рацией углерода носит линейный характер. Значение равновесной концентрации, полученное экстраполяцией к нулевым эффектам, составляет примерно 0,25%, причем эта величина практически не за­ висит от температуры отпуска в интервале 20—100° С. Тепловой эффект, наблюдаемый в сталях с содержанием углерода меньше 0,25%, пока трудно объяснить, хотя в работе [265] он трактуется как результат отдыха наклепанного мартенсита, при этом не ис­ ключается возможное выделение углерода в процессе распада мар­ тенсита. Подобный тепловой эффект наблюдался при калориметри­ ческом исследовании отпуска закаленной стали [266].

Выше отмечалось, что при медленном нагреве приходится при­ бегать к различным методическим ухищрениям для того, чтобы не допустить взаимного влияния первого, второго и третьего превра­ щений. Поэтому экспериментальные данные, полученные в разных работах, не всегда можно однозначно интерпретировать. Приме­ нение скоростного нагрева позволяет разделить по температурам все три превращения при отпуске [259]. Попытка изучить влияние содержания углерода на процессы первого и третьего превращений при быстром нагреве была сделана в работе [257]. Установлено, что увеличение скорости нагрева до 10 000 град/сек не влияет на

объемные эффекты обоих превращений, хотя наблюдается тенден­ ция к их уменьшению по мере снижения содержания углерода в стали. С изменением содержания углерода в мартенсите изменяется электросопротивление в процессе первого превращения при отпус­ ке. Однако в связи с тем что в работе [257] набор железоуглеро­ дистых сплавов по концентрации (от 0,44 до 1,13% углерода) был неполным, не удалось провести систематическое измерение зави­ симости электросопротивления от состава в широком интервале концентраций.

В работе [267] связь между изменением физических свойств и первым превращением при скоростном отпуске прослежена на чис-

ве т ст в ен но у д л и н е н и я , температуры, силы тока и п р о и з в о д н а я от э л е к т р о п р о в о д и ­ мости образца .

тых железоуглеродистых сплавах при помощи высокочувствитель­ ного устройства для дифференцирования электропроводности по времени [268]. При нагреве чистого железа (рис. 99, а) на кривой производной проводимости по времени не наблюдалось никаких специфических отклонений в области температур, характерных для I превращения отпуска в сталях, хотя уверенно фиксируются фер­ ромагнитная точка Кюри феррита и точка фазовой перекристал­ лизации. Несколько иная картина наблюдалась при нагреве зака­ ленной стали с 1% углерода. На осциллограмме (рис. 99, б) хорошо различаются первый и третий эффекты отпуска и связанные с ними изменения удельного объема, магнитных свойств и электросопротив­ ления. Выделение карбидной фазы в процессе распада мартенсита, сопровождающееся уменьшением электросопротивления, резко из­ меняет производную от электропроводимости, причем наибольшее изменение приходится на участок максимального развития первого превращения (см. рис. 99, б, кривая 4, участок а). Дальнейшее из­ менение электросопротивления соответствует изменению производ­ ной, величина которой при повышении температуры возрастает вплоть до начала I I I превращения.

Показателем I превращения является скачок производной на участке а, характеризующем изменение проводимости при макси-

мальном развитии процесса. Расстояние вдоль вертикали возрас­ тает с увеличением концентрации углерода в мартенсите (рис. 100). Величина, полученная экстраполяцией результатов измерения рас­ стояния а к нулевым значениям, составляет 0,35% углерода. В ста­ лях с меньшим содержанием углерода изменения свойств при пер­ вом превращении не зафиксированы. С увеличением скорости нагрева существенно изменяются кинетические условия выхода уг­ лерода из твердого раствора (мартенсита) в углеродистых сталях. Например,' при изучении кинетики распада мартенсита в углеро­ дистых сталях [235, 236] было установлено, что при температурах отпуска в области первого эффекта наблюдается постепенное умень­

Другое возможное объяснение дано в работе [270]. Монокристал­ лы закаленной стали исследовались методом рентгенографическо­ го анализа. Обнаружено существование двух фаз: тетрагонального и кубического мартенсита. Показано, что в стали, содержащей ме­ нее 0,25% углерода, отсутствует тетрагональный мартенсит. А это означает, что никаких изменений свойств такой стали, происхо­ дящих при распаде тетрагонального мартенсита, не может быть.

На температурные условия распада мартенсита при быстром нагреве влияет также легирование сталей. Как и при нагреве про­ стых углеродистых сталей, с увеличением скорости нагрева I и I I I превращения непрерывно смещаются в область повышенных тем­

РЕЛАКСАЦИЯ ЗАКАЛОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Внутренние напряжения в закаленной и отпущенной стали могут существенно влиять на ее эксплуатационные свойства. Возникающие как следствие образования мартенсита, имеющего больший удель­ ный объем, по сравнению с исходной феррито-перлитной смесью, закалочные напряжения тем больше, чем выше содержание углеро­ да в стали. Применение для скоростной термической обработки по­ верхностного индукционного нагрева дает возможность формиро­ вать в поверхностных слоях сложнонапряженное состояние, зави­ сящее от химического состава стали, глубины термообработанной зоны и геометрии термообрабатываемого изделия [27]. Закалочные напряжения могут достигать больших значений и в тех случаях, когда не принимаются соответствующие меры для их уменьшения (отпуск или самоотпуск). Возможна также неконтролируемая ре­ лаксация напряжений, проявляющаяся в виде трещин и рванин на поверхности деталей. Различают два механизма релаксации на­ пряжений: деформационный и структурный. Деформационная релаксация напряжений чаще всего зависит от геометрических раз­ меров деталей, неравномерности прогрева при закалке или неравно­ мерности охлаждения и, как правило, проявляется в виде коробле­ ния после закалки. В массивных деталях она приводит даже к рас­ трескиванию поверхности. s

Структурный механизм релаксации напряжений связан с изме­ нением величины и геометрии напряженного состояния, возникаю­ щего в результате тех или иных структурных превращений при от­ пуске стали, которые сопровождаются уменьшением удельного объема (распад мартенсита и остаточного аустенита, карбидные пре­ вращения, процессы отдыха, рекристаллизации, старения) [273]. Величину и характер распределения макронапряжений можно кон­ тролировать при помощи операций отпуска или самоотпуска, при­ водящих к распаду мартенсита и остаточного аустенита, подбора химического состава сталей и режимов их закалки. Большой эффект в этом отношении дает использование сталей с регламентируемой или низкой прокаливаемостью [274].

Особый интерес представляет возможность осуществить релак­ сацию напряжений за счет увеличения пластичности стали в резуль­ тате фазовых превращений, например распада остаточного аусте­ нита при обработке холодом. В работе [275] изучена релаксация на­ пряжений при мартенситном превращении остаточного аустенита на сталях типа 70С2 и 70СЗХНМФ, идущих на изготовление пру­ жин. После специальной закалки в образцах из указанных сталей содержание остаточного аустенита составляло примерно 17%. При исследовании процессов релаксации напряжений в стали при тем­ пературе жидкого азота была установлена взаимозависимость из­ менения релаксационного напряжения и количества остаточного аустенита, а также зависимость этих величин от времени выдержки.