Авиационное материаловедение

Бакастов С.С., Маркелов П.П.

Военное издательство НКО СССР, 1941 г.

Быстрое охлаждение стали, нагретой до закалочной температуры, имеет целью зафиксировать переходную структуру, образующуюся в начальной стадии распадения твердого раствора (аустенита). Такой структурой является мартенсит или смешанная структурамартенсит + троостит. Закалка на мартенсит дает наибольшую твердость и обеспечивает после отпуска наиболее высокие механические свойства стали. Вместе с тем слишком резкоеохлаждениесвязано с опасностью коробленияизделия и образования в нем трещин.

Условием получения мартенситовой структуры является охлаждениестали с достаточно большой скоростью. Наименьшая скорость охлаждения, при которой сталь получает закалку только на один мартенсит, называется критической скоростью закалки. Для простой углеродистой стали критическая скорость закалки составляет около 160° в 1 сек.

Охладители, применяемые при закалке, обладают различной закаливающей способностью и сообщают стали различную степень твердости. Холодная вода (комнатной температуры) является весьма резким охладителем, так как она имеет высокую теплоемкость и большую скрытую теплоту испарения. Закаливающая способность воды усиливается от прибавления поваренной соли или едкого натрия и понижается при добавлении мыла или извести. Более умеренную закалку дают минеральные и в особенности растительные масла. Подогретая вода (50° и выше) также является умеренным охладителем. К слабо действующим охладителям относятся вода при 80—90°, струя воздуха, расплавленный  свинец или расплавленная селитра.

Чем резче закалка, тем больше внутренние напряжения возникают в изделии. Эти напряжения иногда вызывают образование трещин. При умеренной закалке внутренние напряжения менее значительны, поэтому закалку стали следует производить в умеренных охладителях, которые не дают чрезмерно быстрого охлаждения. Мягкие углеродистые стали (0,3—0,4%С) обычно закаливаются в воде, а изделия из более твердой стали (за исключением инструментов) — в масле или в подогретой воде. Специальные стали закаливают преимущественно в масле.

3. Глубина закалки

Существенным недостатком углеродистых сталей является то, что они в массивных изделиях не дают сквозной закалки на мартенсит по всему сечению изделия.

Полная сквозная закалка может быть получена только в тонких изделиях, например в прутках диаметром не более 10 мм. В массивных деталях, даже при самом резком охлаждении, закалка па мартенсит получается только с поверхности па глубину 3,0—fi,0 мм. Сердцевина же, которая охлаждается более медленно, чем наружные слои, закаливается слабее. Обычно она получает закалку на сорбит или даже остается совсем незакаленной, если изделие имеет очень крупные размеры.

Добавка к стали специальных элементов способствует углублению закалки и получению мартенситовой структуры в более глубоких зонах сечения изделия, даже в условиях сравнительно медленного охлаждения. Сильное углубление закалки дают молибден, хром, вольфрам, марганец и другие элементы. Действие этих элементов выражается в том, что они сообщают аустениту особую устойчивость и задерживают процесс его распадения при охлаждении.

Углубление закалки особенно сильно проявляется при добавлении в сталь, помимо указанных элементов, никеля. Благодаря этому стали с присадкой никеля (хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.) имеют широкое применение для крупных изделий, например для коленчатых валов, шатунов, шестерен редуктора, массивных штампов и т. д.

4. Дефекты закалки

При закалке стали на мартенситобъемизделия увеличивается, так как мартенсит имеет наибольший удельный объем по сравнению с другими структурными формами стали.

В массивных изделиях наружные слои приобретают при закалке мартенситовую структуру и расширяются сильнее сердцевины, которая вследствие более медленного охлаждения получает закалку на троостит и сорбит. Слабо закаленная сердцевина препятствует расширению наружного мартенситового слоя, в результате чего в изделии появляются внутренние напряжения.

Помимо этого, внутренние напряжения возникают вследствие разности температур, создающейся в различных зонах изделия во время быстрого и неравномерного охлаждения. Под влиянием внутренних напряжений может произойти изменение формыизделия (коробление) и образование трещин. Чаще всего трещины образуются в момент закалки. Иногда появление трещин наблюдается спустя некоторое время после закалки.

Детали сложной формы с резкимипереходами и острыми углами особенно опасны в отношении образования закалочных трещин.

Исправление коробленияизделия путем правки обычно не дает желаемых результатов. Чтобы избежать короблений, часто прибегают к специальным методам термической обработки или применяют всякого рода приспособления. Например, закалку тонких лент производят под массивными чугунными плитами, шестерни закаливают в специальных прессах, сварные авиаконструкции перед закалкой закрепляют в специальные рамы и т. д. Вместе с этим следует указать, что доброкачественная закалка в большой мере зависит от опытности калильщика.

§ 11. Отпуск закаленной стали

Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур, лежащих ниже линии PSK (см. диаграмму состояния, фиг. 23), с последующим быстрым или медленным охлаждением. Назначение отпуска заключается в том, чтобы устранить внутренние напряжения, возникшие при закалке, и придать изделии желаемые механические и физические свойства.

Выше было отмечено, что мартенсит является неустойчивой структурой, которая сохраняется при нормальной температуре только благодаря малой подвижности частиц. С повышением температуры подвижность частиц увеличивается, и мартенситпереходит в более устойчивую структурную форму. Чем выше температура отпуска, тем быстрее и полнее идет процесспревращениямартенсита в другие структурныеформы (сначала в троостит, а затем в сорбит). Заметное превращениеструктуры стали, закаленной на мартенсит, наблюдается при нагреве выше 180°. Нагрев ниже этой температуры не вызывает изменения структуры и не снижает твердости стали. В данном случае имеет место лишь частичное снижение внутренних напряжений.

В табл. 5 указаны те структуры, которые образуются в закаленной стали при различных температурах отпуска.