Производство деталей из металлических порошков 4 страница

При распаде аустенита в температурном диапазоне от А1 до 650оС межпластиночное расстояние в колонии равно 0,5…1 мкм, строение хорошо видно при средних увеличениях в микроскопе, твердость составляет 170…230 НВ и такой эвтектоид называют перлитом.

В районе температур 650…600оС образуется сорбит, твердость которого составляет 230…330НВ, а межпластиночное расстояние – 0,2…0,4 мкм. Строение сорбита можно выявить лишь при больших увеличениях оптического микроскопа.

Распад аустенита в интервале температур 600оС…tmin,оС приводит к образованию троостита, представляющего собой дисперсную (строение выявляется только при электронномикроскопическом исследовании) механическую смесь с межпластиночным расстоянием до 0,1 мкм и твердостью 330…400 НВ.

В до- и заэвтектоидных сталях перлитному превращению должно предшествовать выделение избыточных фаз, соответственно, феррита и избыточного цементита. Количество избыточной фазы с увеличением скорости охлаждения уменьшается и при достаточно большом переохлаждении её образование в виде самостоятельной структурной составляющей полностью предотвращается (рис. 11).

Рисунок 11 - Диаграмма изотермического распада аустенита в

доэвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) сталях

2.2.2.2 Мартенситное превращение

Если аустенит переохладить до температуры, когда отсутствует диффузия углерода, то превращение аустенита происходит без выделения из него углерода и осуществляется лишь полиморфное превращение Feg(C) > Fea(C). Это превращение называется бездиффузионным, а образовавшаяся структура – мартенситом.

Мартенсит является пересыщенным твердым раствором углерода в a – железе, поскольку в нем концентрация углерода такая же, как в исходном аустените, а в Fea в равновесном состоянии при комнатной температуре растворяется только 0.0025% C.

Превращение является бездиффузионным, перестраиваются только атомы железа. Мартенситное превращение понимают как сдвиг или сме-щение какого-то объема металла по определенной плоскости на расстоя-ния меньше межатомных с одновременным g Þ a превращением.

Вследствие растворения большого количества углерода объемно-центрированная кубическая решетка феррита вытягивается вдоль одного из ребер (с). Характерной для решетки мартенсита является степень тетрагональности, то есть отношение с / а > 1, которое зависит от количества углерода, растворенного в решетке.

В сталях мартенситное превращение является необратимым, кри-сталлы мартенсита образуются за 10-7с, а вся порция кристаллов за 10-3с, после чего превращение прекращается и возобновляется после продолжения охлаждения.

Рисунок 12 - Зависимость температуры начала (Мн) и конца (Мк)

мартенситного превращения от содержания углерода в

углеродистых сталях

Мартенситное превращение происходит в некотором температурном диапазоне. Существуют температуры начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного превращения, которые снижаются при повышении содержания углерода (рис. 12). Вследствие этого в сталях с содержанием углерода > 0,5% мартенситное превращение не завершается при комнатной температуре и часть аустенита не распадается. Этот аустенит называется остаточным и его количество увеличивается с повышением в стали углерода.

Температура начала мартенситного превращения не зависит от скорости охлаждения, а определяется только химическим составом.

При температуре МН превращение только начинается и, чтобы оно развивалось, необходимо непрерывно охлаждать углеродистую сталь в мартенситном интервале. Если охлаждение приостановить и выдерживать углеродистую сталь при постоянной температуре внутри мартенситного интервала, то образование мартенсита почти сразу же прекращается.

Мартенсит имеет игольчатую структуру. При образовании пластина мартенсита развивается внутри зерна аустенита, разрастаясь от границы к границе. Это означает, что чем крупнее зерно аустенита, тем длиннее будут образовавшиеся мартенситные пластины. Для получения высокого комплекса механических свойств необходимо добиваться мелкоигольчатой мартенситной структуры, что достигается лишь при начальном мелком зерне аустенита.

2.2.2.3 Бейнитное превращение

Температурный интервал бейнитного превращения размещается между интервалами перлитного и мартенситного превращений и поэтому его еще называют промежуточным.

Механизм бейнитного превращения сложнее, чем перлитного и мартенситного и реализуется следующим образом. В переохлажденном аустените происходит диффузионное перераспределение углерода, в результате которого образуются обогащенные и обедненные углеродом участки аустенита. Образование концентрационной неоднородности приводит к возникновению напряжений, которые вызывают мартенситное превращение в участках аустенита с малым количеством углерода (до 0.3%), для которых точка Мн совпадает с температурой изотермической выдержки. Выделение карбидов, которые наблюдаются в структуре стали после бейнитного превращения, проходит уже после g Þ a превращения.

При высоких температурах, близких к перлитному превращению, концентрационное перераспределение более значительное, чем при низких температурах ближе точки Мн. Из-за этого различают верхний и нижний бейниты, отличающиеся по микроструктуре и свойствам.

Бейнит, образовавшийся при 400...550оС, называют верхним. Он имеет перистое строение и обладает неблагоприятным сочетанием механических свойств: пониженная прочность (из-за сохранения нераспавшегося аустенита) сочетается с низкими пластичностью и вязкостью.

При более низких температурах образуется нижний бейнит с пла-стинчатым строением. Нижний бейнит, образовавшийся при температу-рах на 50...100оС выше линии Мн обладает высокой прочностью и одновременно высокими пластичностью и вязкостью.

2.2.3 Превращения мартенсита при нагревании

Наиболее удобно превращения при отпуске изучать с помощью дилатометрического анализа, который фиксирует изменения размеров образцов, связанные с внутренними превращениями. Аустенит имеет наименьший удельный объем, а мартенсит – наибольший.

Начиная от 80°С до 200°С наблюдается сокращение длины. Это является первым превращением при отпуске, во время которого углерод выделяется из мартенсита и его тетрагональность становится близкой к единице. Такой мартенсит называют отпущенным. Таким образом, вследствие первого превращения при отпуске образуется отпущенный мартенсит, который является гетерогенной смесью пересыщенного феррита (неоднородной концентрации) и когерентно связанных с ним карбидных частиц.

При нагреве выше 200°С проходит превращение остаточного аустенита в гетерогенную смесь, которая состоит из пересыщенного феррита и карбидов, то есть остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит с содержанием углерода 0,15 - 0,2 %.

Уменьшение удлинения при нагреве cвыше 300°С указывает на полное выделение избыточного углерода из феррита и снятие внутренних напряжений, которые возникли вследствие предыдущих превращений. Одновременно карбид отделяется от феррита и превращается в цементит. Таким образом, снятие внутренних напряжений является отличительной особенностью третьего превращения при отпуске. При 400°С третье превращение заканчивается и сталь состоит из феррита и цементита.

Последующее повышение температуры до 500оС и выше ведет к сфероидизации и коагуляции выделившегося цементита, поэтому отличительной особенностью четвертого превращения при отпуске закаленной стали является укрупнение карбидных частиц.

При отпуске свыше 400°С образуется смесь феррита и цементита и поэтому образующиеся структуры имеют такое же название, как структуры, полученные при диффузионном распаде аустенита. Сталь, которая отпущена при 350-500°С, имеет структуру троостита отпуска, а при 500-680°С – сорбита отпуска.

Структуры, полученные в результате распада аустенита и образующиеся при нагревании мартенсита, отличаются по твердости и имеют разную степень дисперсности цементитных частиц. В феррито-цементитной смеси, полученной после распада аустенита, цементит имеет пластинчатую форму, тогда как цементит, образовавшийся при отпуске мартенсита, имеет зернистую форму.

Форма, размер и распределение частиц цементита в феррито-цементитной смеси влияют на механические свойства сталей: твердость, прочность, пластичность, вязкость. Феррит имеет высокую пластичность и низкую твердость 80-100 НВ. Цементит имеет почти нулевую пластич-ность, но очень большую твердость (800 НВ). Пластической деформации (при том или ином виде нагружения) может подвергаться только феррит. Цементитные частицы противодействуют пластической деформации, поскольку возле них возникают искажения кристаллической решетки, что препятствует движению дислокаций.

При малом количестве цементитных включений (пластическая де-формация развивается относительно беспрепятственно) прочность и твердость металла изменяются незначительно. При образовании большого количества мелких карбидов и возникающего при этом значительного эффекта торможения дислокаций из-за искажений кристаллической решетки сталь упрочняется. При укрупнении карбидных частиц и увеличении расстояния между ними свободный пробег и размножение дислокаций увеличиваются, что повышает способность металла к пластической деформации.

2.3 Виды термической обработки

Любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени. По графику можно определить температуру нагрева, скорости нагрева и охлаждения, дли-тельность выдержки при температуре нагрева и общую продолжитель-ность процесса, но получить информацию о виде термической обработки не представляется возможным. Вид термической обработки определяется не характером изменения температуры во времени, а типом фазовых и структурных изменений в металле. Основываясь на этом признаке, А. А. Бочвар разработал классификацию основных видов термической обработки металлов и сплавов.

Термическая обработка подразделяется на собственно термическую, химико-термическую и термомеханическую обработки.

Собственно термическая обработка заключается только в термиче-ском воздействии на металл или сплав. При химико-термической обработке дополнительно производится диффузионное насыщение металлами и неметаллами. Термомеханическая обработка предусматривает сочетание термического воздействия и пластической деформации.

Собственно термическая обработка включает следующие основные виды: отжиг; закалка; отпуск и старение.

2.3.1 Отжиг

Отжиг – операция термической обработки, включающая нагрев стали, как правило, выше температуры фазовых превращений, выдержку и последующее медленное охлаждение, осуществляемое, чаще всего, вместе с печью.

При медленном охлаждении стали по своему состоянию приближаются к фазовому и структурному равновесию, а получаемые структурные составляющие соответствуют диаграмме «железо – цементит». После отжига сталь имеет низкие значения твердости и прочности и высокую пластичность.

В большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат. В некоторых случаях отжиг является конечной термической обработкой, например отжиг крупных отливок.

Различают отжиг I и II рода.

2.3.1.1 Отжиг I рода

Отжиг 1-го рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, возникшие при предыдущей обработке, причем его проведение не обусловлено фазовыми превращениями. Различают следующие разновидности отжига 1-го рода: диффузионный, рекристаллизационный и релаксационный.

Диффузионному или гомогенизирующему отжигу подвергают отливки и слитки из легированных сталей для уменьшения дендритной ликвации. Металл нагревают до температур 1100…1200°С, при которых наиболее полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава по всему объему детали.

Нагрев осуществляется со скоростью 100-150 град/ч, а продолжительность выдержки зависит от химического состава стали и массы садки. Чрезмерно длительные выдержки при гомогенизации нецелесообразны, так как они снижают производительность процесса и приводят к излишнему расходу энергоресурсов. Время выдержки при диффузионном отжиге может достигать нескольких десятков часов.

После гомогенизации сталь имеет крупное зерно, которое измельчается при последующей обработке давлением или обычном полном отжиге.

Рекристаллизационному отжигу подвергают холоднодеформированный металл для снятия наклепа. Кроме рекристаллизации феррита при отжиге могут происходить коагуляция и сфероидизация цементита, что повышает пластичность и облегчает обработку давлением. Данный вид термической обработки предусматривает нагрев стали выше температуры рекристаллизации. Для низкоуглеродистых сталей (до 0,2%С) температуру отжига после прокатывания или штампования заготовок выбирают в пределах 680…700оС с выдержкой до 10 часов. Отжиг калиброванных прутков после холодной протяжки из легированных сталей проводят при 680…740оС в течение 0.5…1.5 ч.

Релаксационный отжиг используют для обработки литья, сварных соединений и механообработанных деталей, когда в результате неравномерного охлаждения или неоднородного пластического деформирования возникают напряжения, наличие которых может вызвать изменение размеров и деформацию деталей.

Отжиг для снятия напряжений осуществляется при температурах 160… 700оС с последующим медленным охлаждением. Например, для многих деталей прецизионных станков проводят отжиг при 570…600оС в течение 2…3 часов после основной механической обработки и при 160…180оС такой же продолжительности после окончательной механической обработки для снятия шлифовальных напряжений. Отжиг для снятия напряжений после сварки проводится при 650…700оС.

2.3.1.2 Отжиг II рода

Отжиг II рода заключается в нагревании стали до температур свыше АС1 или АС3, выдержке и последующем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения происходят фазовые превращения, которые определяют структуру и свойства стали.

Основные цели отжига: перекристаллизация стали, снятие внутренних напряжений, снижение твердости и улучшение обрабатываемости.

При фазовой перекристаллизации в процессе отжига измельчается зерно, устраняется видманштеттовая структура и строчечность. Характерным структурным дефектом стальных отливок и сталей, нагретых до температур 1100…1200оС (явление перегрева), является наличие крупного зерна аустенита. При ускоренном охлаждении крупнозернистого аустенита создаются условия для образования видманштеттовой структуры, которая характеризуется тем, что кристаллы доэвтектоидного феррита ориентированно произрастают относительно кристаллической решетки аустенита и имеют форму пластин. Видманштеттов феррит наблюдается лишь в сталях, содержащих менее 0,4 % С и наиболее четко проявляется при ускоренном охлаждении стали в интервале температур от А1 – 50оС до 600..550оС.

Строчечная структура возникает из-за загрязнения неметаллическими включениями, которые при обработке давлением вытягиваются, и феррит, зарождаясь на них, образует вытянутые скопления.

Еще одной важной целью отжига является предотвращение образования флокенов при производстве крупных поковок.

Известно, что одной из главных причин образования флокенов является повышенное содержание водорода в стали. Флокены обычно образуются в катаной стали или в поковках, но иногда встречаются и в литой стали. Как правило, они располагаются в центральной части поковок и берут свое начало в ликвационных участках, обогащенных углеродом, фосфором, серой и легирующими элементами.

Причиной образования флокенов является диффузионно-подвижный водород, а температура их образования лежит ниже 200оС. Образованию флокенов способствует наличие дополнительных внутренних напряжений (структурных, термических и механических), которые увеличивают локальную концентрацию водорода в твердом растворе. Только растягивающие напряжения при совместном действии с водородом могут вызвать образование флокенов, сжимающие напряжения уменьшают опасность флокенообразования.

Все стали общего назначения по степени флокеночувствительности подразделяют на четыре группы. К первой группе относят углеродистые стали 15…55. Во вторую группу включены низколегированные стали: 20Х…55Х, 10Г2, 50Г, 50Г2, 60ХГ, 15ХМ, 35ХМ, 38Х2МЮА, 20ГС, 25ГС, 20ХГСА, 35ХГСА, 08ГДНФ. Третью группу составляют среднелегированные стали: 20ХН; 40ХН; 50ХН; 60ХН; 40ХНМ; 34ХН1МА; 38ХГН; 12Х1М1Ф; 15Х1М1Ф; 5ХГМ. Высоколегированные стали 34ХН3М. 38ХН3М, 18Х2Н4МА, 5ХНМ, 5ХНМ2 по своей флокеночуствительности отнесены к четвертой группе.

Продолжительность противофлокенного отжига поковок, в зависимости от флокеночувствительности стали и размеров поковок, может достигать несколько сотен часов, что делает этот процесс дорогостоящим.

Существуют следующие виды отжига 2-го рода: полный, неполный и изотермический отжиг. (рис. 13).

При полном отжиге доэвтектоидная сталь нагревается выше Ас3 на 30~50°С, выдерживается при этой температуре до полного завершения фазовых превращений и медленно охлаждается. При этом ферритно-перлитная структура превращается при нагреве в аустенитную, которая при последующем медленном охлаждении распадается на феррит и перлит, и, таким образом, происходит полная перекристаллизация.

На практике скорость нагрева обычно близка к 100 град/ч, а продолжительность выдержки колеблется от 0,5 до 1 ч на 1 т нагреваемого металла. Медленное охлаждение с температуры нагрева должно обеспечить распад аустенита с образованием перлита. Легированные стали охлаждают значительно медленнее (10 - 100 град/ч), чем углеродистые (150 - 200 град/ч).

Рисунок 13 - Схемы проведения отжига и нормализации

доэвтектоидной стали

Чрезмерное превышение температуры нагрева над точкой Ас3 вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали.

Неполный отжиг заключается в нагреве выше АС1 и медленном охлаждении. При этом происходит частичная перекристаллизация только перлита, а феррит в доэвтектоидных сталях и цементит в заэвтектоидных не претерпевают изменений.

Неполному отжигу подвергают доэвтектоидные стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием. Применение его допустимо лишь в том случае, когда нагрев в процессе предварительной обработки давлением не привел к образованию крупного зерна (иначе необходим полный отжиг с фазовой перекристаллизацией).

Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называется сфероидизиру-ющим. В результате получают структуру зернистого перлита. Охлаждение при сфероидизации должно быть медленным, чтобы обеспечить распад аустенита на ферритно-карбидную смесь и коагуляцию образовавшихся карбидов. Целью проведения сфероидизирующего отжига является улучшение обрабатываемости резанием. Кроме этого, стали со структурой зернистого перлита менее склонны к перегреву, образованию трещин и деформации при последующей закалке.

Изотермический отжиг часто проводят на практике с целью экономии времени. В этом случае деталь нагревают, а затем быстро охлаждают (чаще переносом в другую печь) до температуры, лежащей ниже АС1 на 50-100°С. При этой температуре деталь выдерживается до полного распада аустенита (т. е. осуществляется изотермическая выдержка), после чего охлаждается на воздухе (рис. 13).

В настоящее время изотермический отжиг часто применяют для легированных сталей, так как он сокращает продолжительность процесса. Для ускорения отжига температуру изотермической выдержки желательно выбирать близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области.

После изотермического отжига получается более однородная структура, что связано с выравниванием температуры по сечению детали и превращением по всему объему одновременно.

2.3.1.3 Нормализация

Нормализацией называется нагрев доэвтектоидной стали до температуры выше АС3, а заэвтектоидной – выше Аcm на 30…50°С с последующим охлаждением на воздухе. При нормализации происходит перекристаллизация стали и устранение крупнозернистой структуры, возникающей при литье или ковке.

В результате охлаждения на воздухе распад аустенита на ферритно-цементитную смесь происходит при более низких температурах, а следовательно, повышается дисперсность её структуры и твердость. Полученная структура называется сорбитом.

Нормализации подвергают низкоуглеродистые стали вместо отжига. Твердость при этом выше, чем при отжиге, но для низкоуглеродистых сталей ее значения достаточно низкие. При этом по сравнению с отжигом улучшается качество поверхности при резании.

Для среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска. Механические свойства при этом снижаются, но уменьшается деформация изделий по сравнению с возникающей при проведении закалки и высокого отпуска.

Высокоуглеродистые (заэвтектоидные) стали подвергают нормализации с целью устранения цементитной сетки.

Нормализацию с последующим высоким отпуском (600 - 650°С) часто применяют для исправления структуры легированных сталей вместо отжига.

2.3.2 Закалка

2.3.2.1 Общие положения

Существует три принципиально различающихся между собой вида закалки:

- закалка с полиморфным превращением;

- закалка без полиморфного превращения;

- закалка с оплавлением поверхности.

Закалка с полиморфным превращением (закалка стали на мартенсит) на протяжении веков является основным способом упрочнения стали, а в настоящее время применяется и для закалки сплавов цветных металлов.

Закалка без полиморфного превращения была открыта на рубеже 20-го века, и её промышленное использование началось одновременно с применением алюминиевых сплавов. Закалка без полиморфного превращения применима для сплавов, имеющих переменную в зависимости от температуры растворимость компонентов. В результате закалки образуется пересыщенный твердый раствор, но кристаллическая решетка остается неизменной.

Закалка с оплавлением поверхности появилась в 70-х годах прошлого века, когда в промышленности начали использовать лазерный нагрев.

Закалка стали – это термическая обработка, которая включает нагрев до температуры выше фазовых превращений, выдержку при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью, превышающей критическую (рис. 13). Закалка является упрочняющей термической обработкой. Повышение твердости и прочности обеспечивается за счет получения структуры мартенсита. Закалка не является окончательной операцией, и после нее обязательно производится отпуск.

Результаты закалки во многом зависят от правильного выбора температуры нагрева для закалки. Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. В этом случае сталь с исходной структурой перлит + феррит нагревается до аустенитного состояния и при охлаждении со скоростью больше критической получается мартенсит. Такая закалка называется полной.

Неполная закалка осуществляется от температур, которые соответ-ствуют межкритическому интервалу от АС1 до АС3, и используется только для листовой низколегированной стали для получения структуры феррита с небольшими участками мартенсита до 20%. Такая структура обеспечивает достаточно высокие механические свойства и, одновременно, способность к штамповке. Во всех других случаях неполная закалка доэвтектоидных сталей не используется, поскольку механические свойства получаются более низкими по сравнению с закалкой от температур выше АС3.

Заэвтектоидные стали нагревают для закалки на 15…20°С выше АС1. При этих температурах в стали наряду с аустенитом имеется цементит. Поэтому после закалки в структуре заэвтектоидных сталей присутствуют мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита и нерастворенные частицы цементита, имеющие высокую твердость. Интервал закалочных температур не должен превышать 15…20оС, так как чрезмерное повышение температуры закалки вызывает интенсивный рост зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению.

Закалка заэвтектоидных сталей, по сути, является неполной. Если заэвтектоидную сталь нагревать для закалки выше Асm ,то ее структура будет состоять из крупноигольчатого мартенсита с повышенным содержанием остаточного аустенита, присутствие которого в структуре стали снижает ее твердость.

Продолжительность нагрева и выдержки при закалочной температуре должна обеспечить прогревание изделий по сечению и завершение фазовых превращений, но исключить рост зерна и обезуглероживание поверхностных слоев детали. В большинстве случаев является приемлемым выбор продолжительности нагрева из расчета 1,5 мин на 1мм сечения для углеродистых сталей и 2 мин на 1мм сечения для легированных сталей. Продолжительность выдержки составляет одну треть от продолжительности нагрева.

При определении технологических параметров процесса закалки необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – это способность стали повышать в процессе закалки свою твердость. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода в стали, повышается при увеличении его содержания и считается достаточной при 0,4%С и выше, когда твердость закаленной стали приближается к 60HRC (рис. 14).

Прокаливаемость характеризует глубину закаленного слоя при данных условиях закалки. За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50% мартенсита и 50% троостита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называется критическим диаметром ( Дкр). Прокаливаемость возрастает по мере повышения стойкости переохлажденного аустенита и, соответственно, снижения критической скорости закалки.

1 – твердость мартенсита; 2 –заэвтектоидная сталь после закалки от температуры АС1 + 20оС; 3 -твердость заэвтектоидной стали после закалки от температуры АСМ + (20…30оС)

Рисунок 14 - Влияние температуры закалки на твердость за эвтектоидной стали

2.3.2.2 Способы закалки

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения детали при отсутствии образования трещин и деформаций.

Идеальным охлаждением считается такое, при котором обеспечивается высокая скорость охлаждения при температурах наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита для предупреждения его диффузионного превращения и медленное охлаждение в интервале мартенситного превращения с целью уменьшения закалочных напряжений (рис. 15).

1 – закалка в воде; 2 – ступенчатая закалка;3 – идеальное

охлаждение; 4 – закалка в масле;5 – изотермическая закалка;

Vкрит.- критическая скорость закалки

Рисунок 15 – Кривые охлаждения, соответствующие различным видам закалки

Напряжения при закалке стали возникают в результате неравномерного охлаждения поверхности и центральных зон детали, а также из-за увеличения объема при мартенситном превращении и неодновременности протекания его по сечению детали. В первом случае напряжения классифицируются как тепловые, а во втором – как структурные.

В начале охлаждения поверхностные слои вследствие уменьшения объема сжимаются, чему противодействуют еще неохлажденные внутренние слои. Это вызывает образование в поверхностных слоях напряжений растяжения, а во внутренних – напряжений сжатия. По мере дальнейшего охлаждения напряжения начнут уменьшаться, и в некоторый момент произойдет смена знака напряжений на поверхности и в центре. После окончательного охлаждения на поверхности образуются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине – напряжения растяжения. Появление остаточных напряжений является результатом того, что напряжения вызывают не только упругую, но и неодновременную и неодинаковую пластическую деформацию слоев по сечению детали.

Структурные напряжения образуются по обратной схеме. В начале охлаждения в результате мартенситного превращения поверхностные слои расширяются, чему противодействуют внутренние слои, еще не испытавшие структурных преобразований. Это приводит к образованию на поверхности сжимающих напряжений, а в центре – растягивающих. По мере дальнейшего охлаждения знак напряжений на поверхности и в центральных зонах изменяется, и после окончательного остывания на поверхности будут остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине – напряжения сжатия.

При закалке одновременно возникают как тепловые, так и структурные напряжения и в зависимости от их соотношения могут образовываться различные эпюры суммарных напряжений. Наиболее опасными являются растягивающие напряжения на поверхности, которые способствуют образованию трещин и снижают сопротивление усталостному разрушению стали.

Растягивающие напряжения возникают, в основном, за счет появления структурных напряжений, величина которых тем больше, чем выше температура закалки и интенсивнее охлаждение в интервале мартенситного превращения Мн…Мк,. Для уменьшения структурных напряжений необходимо снижать скорость охлаждения ниже температуры начала мартенситного превращения.

В качестве закалочных сред для углеродистых сталей, имеющих высокую критическую скорость закалки, применяются вода и различные водные растворы, а для легированных сталей, имеющих небольшую критическую скорость охлаждения, - масло, водовоздушные смеси и т. п.