6. КАК И ПОЧЕМУ ВОЗНИКАЮТ ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ЗАКАЛКЕ.
Напряжения 1-го рода. Напряжения 2-го рода. Напряжения 3-го рода.
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.
Рис. 20. Возникновение внутренних напряжений при закалке
Аналогичная картина получается при закалке сплошной детали цилиндрической формы (рис. 21).
Рис. 21. Возникновение термических напряжений при закалке цилиндрической детали
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 мартенситном 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).
Рис. 22. Схема, поясняющая роль внутренних напряжений
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 напряжения, 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 сделаем на нем с двух сторон небольшие поперечные надрезы. Теперь, сдавливая двумя пальцами с торцовых сторон этот ластик, изогнем его по дуге. Легко можно заметить, что при этом надрез, расположенный на внешней, выгнутой стороне, будет расширяться и углубляться. Это происходит под действием растягивающих напряжений на данной поверхности. Края надреза, расположенного на вогнутой стороне, наоборот,— будут сближаться. Так происходит потому, что на этой поверхности действуют менее опасные сжимающие напряжения. Теперь должно быть понятным, почему во многих случаях для повышения эксплуатационных свойств деталей достаточно произвести поверхностное упрочнение, например, путем закалки ТВЧ или химико-термической обработкой. Как одно, так и другое не только упрочняет поверхность деталей, но создает внутренние сжимающие напряжения.
Источник
Внутренние напряжения в закаленной стали
При закалке в детали возникают значительные внутренние напряжения — термические и структурные.
тем
больше, чем ниже температура поверхности. Период охлаждения, когда разность температур достигает максимума, является наиболее вероятным для развития внутренних напряжений. В этот период охлаждения в поверхностных слоях детали будут возникать напряжения растяжения, а в сердцевине — напряжения сжатия. В процессе дальнейшего охлаждения происходит перераспределение напряжений и после окончания охлаждения: при температуре до 20° С поверхностные слои детали будут испытывать напряжения сжатия, а сердцевина — напряжения растяжения (рис. 65, а). Эти напряжения называются остаточными напряжениями.
Структурные напряжения возникают в результате того, что превращение аустенита в мартенсит (связанное с увеличением объема) в разных местах детали происходит не одновременно. Температура мартенситного превращения сначала достигается в поверхностных слоях, в которых появляются временные сжимающие напряжения, а во внутренних слоях напряжения растяжения. Затем мартенситное превращение протекает во внутренних слоях и знак напряжений на поверхности и в сердцевине изменяется. Эпюра структурных остаточных напряжений после сквозной закалки имеет вид, показанный на рис. 65, б.
При закалке термические и структурные напряжения суммируются
В зависимости от условий охлаждения, сечения деталей, глубины закалки и других факторов суммарные остаточные напряжения могут быть различными. Один из примеров эпюры суммарных остаточных напряжений показан на рис. 65, в.
Структурные напряжения опасны тем, что они возникают при появлении хрупкой структуры мартенсита. Если напряжения достигнут предела прочности, то образуются трещины. Наиболее опасными являются напряжения растяжения на поверхности, возникающие в основном вследствие структурных напряжений, которые надо при закалке уменьшать.
Способы закалки. Непрерывную закалку в одной среде (рис. 66, кривая 1) применяют наиболее широко. Деталь нагревают до температуры закалки и охлаждают в одной среде. Если охлаждение производят в жидкой среде (воде, масле), то для равномерного охлаждения деталь, погрузив в жидкую среду, перемещают в вертикальной плоскости или круговыми движениями. Для равномерного охлаждения жидкость перемещают с помощью лопастей, установленных в закалочном баке, или непрерывно подают и отводят из закалочного бака охлаждающую жидкость. Если требуется закалить не всю деталь, а только определенную часть, в охлаждающую жидкость погружают эту часть детали или применяют струйное охлаждение. Такую закалку называют местной.
Для равномерной закалки и уменьшения коробления (особенно длинных цилиндрических деталей, тонких плоских деталей и др.) применяют специальные закалочные машины и прессы. В закалочной машине или закалочном прессе деталь при охлаждении находится в зажатом положении (например, валы и оси между зажимными роликами, зубчатые колеса —- в штампах, пилы — между плитами и т. п.).
Большое распространение имеют различные автоматизированные закалочные агрегаты непрерывного действия, в которых детали из закалочной печи после нагрева сбрасываются с конвейера в закалочный бак и выдаются из него с помощью конвейера. Недостатком закалки в одном охладителе (если закалка производится в воде) является возникновение значительных внутренних напряжений, которые могут вызвать появление трещин.
При закалке с подстуживанием деталь вынимают из печи и перед погружением в охлаждающую жидкость некоторое время выдерживают на воздухе (подстуживают). При подстуживании температура детали не должна понизиться ниже критической точки. Подстуживание уменьшает внутренние напряжения и коробление деталей,
При закалке в двух средах (прерывистая закалка, рис. 66, кривая 2) деталь охлаждают до 300—400° С в энергично действующем охладителе — воде, а затем для окончательного охлаждения переносят в слабый охладитель — масло. Такая закалка иначе называется закалкой в воде с переброской в масло. Быстрое охлаждение при закалке необходимо для того, чтобы в процессе охлаждения не произошло распада аустенита на феррито-цементит-ную смесь в интервале температур 500—600° С. Для превращения аустенита в мартенсит быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, так как именно при быстром охлаждении в интервале мартенситного превращения и могут возникнуть трещины. В интервале мартенситного превращения для уменьшения возникающих структурных внутренних напряжений и предохранения от возможности возникновения трещин желательно замедленное охлаждение. Этому требованию и удовлетворяет закалка в двух средах.
для
никаких структурных превращений не происходит и мартенсит образуется при охлаждении детали на воздухе.
, температура плавления 150° С и др.
сталь находится в состоянии пластичного аустенита, и детали легко могут быть подвергнуты правке.
и 50% хлористого калия (КС1), сохраняется светлая поверхность, так как хлористые соли при нагреве, а щелочи при охлаждении практически не окисляют поверхности детали. Это позволяет закаливать детали после их окончательной обработки резанием без последующей очистки или травления.
Большее количество воды приводит к сильному кипению при погружении нагретых деталей. Повышение закаливающей способности щелочей при добавлении к ним воды объясняется тем, что происходит испарение воды. Необходимая для испарения воды теплота интенсивно отнимается от охлаждаемой детали. При испарении воды скорость охлаждения понижается, поэтому необходимо в ванну периодически добавлять воду (по мере надобности).
Недостатком ступенчатой закалки является возможность ее применения для деталей диаметром до 10 мм из углеродистой стали. Это объясняется тем, что для крупных деталей скорость охлаждения в соляной ванне является недостаточной для того, чтобы переохладить аустенит до температуры, немного превышающей температуру начала мартенситного превращения. В связи с недостаточной скоростью охлаждения в зоне наименьшей устойчивости аустенита (500—600° С) произойдет частичный распад с образованием феррито-цементитной смеси, и твердость получится пониженной.
Для деталей из легированных сталей ступенчатую закалку применять нецелесообразно, так как они закаливаются в масле, которое достаточно медленно охлаждает в интервале температур мартенситного превращения.
Изотермическую закалку, впервые предложенную Д. К. Черновым, применяют широко. Так же, как и при ступенчатой закалкег охлаждение деталей, нагретых до температуры закалки, производится в соляных ваннах. Температура соляной ванны при изотермической закалке 250—400° С. Детали выдерживают в соляной ванне в течение времени (согласно С-кривой для данной стали), необходимого для полного распада аустенита. После выдержки детали охлаждают на воздухе (см. рис. 66, кривая 4). В результате изотермической закалки образуется бейнит твердостью ИКС 45—55, но достаточно пластичный. Изотермическую закалку целесообразно применять для деталей, склонных к короблению и образованию трещин.
Для нагрева деталей при закалке применяют камерные, конвейерные печи и другие. Большое распространение имеют тигельные электрические и электродные печи-ванны. Печи-ванны удобны в работе; нагрев деталей в них происходит быстрее, чем в камерных печах. При нагреве в печах-ваннах детали находятся в расплавленной соли; в них также удобно нагревать детали путем частичного погружения в расплавленную соль. К недостаткам нагрева в печах-ваннах можно отнести малую стойкость тиглей и в связи с этим частые остановки ванн; необходимость соблюдения осторожности при работе (возможно выплескивание расплавленных солей при попадании влаги в ванну); взрывоопасность некоторых солей при перегреве; обезуглероживание деталей при нагреве в некоторых солях.
Источник