Во-первых, закалочная деформация приводит к изменению размеров и формы.
Закалочная деформация (искажение) бывает двух типов: изменение размеров и изменение формы (деформация). Так называемое изменение размеров — это изменение размеров, вызванное расширением или сжатием, вызванным фазовым переходом во время закалки, в основном относящееся к аналогичным деформациям, таким как удлинение, укорочение, утолщение и утончение. Деформация в основном вызвана провисанием, вызванным собственным весом деталей, и искажением формы, вызванным напряжением, таким как неравномерные деформации, такие как коробление, изгиб и кручение. Конечно, если изменяется размер, изменяется и его форма, поэтому часто путают, является ли это изменением размеров или деформацией, а изменения размеров и деформация часто накладываются друг на друга. Наиболее уместно выразить это образно, используя закалочную деформацию. Определение закалочной деформации в металлургии — это состояние, при котором сумма напряжений, создаваемых деталями после термической обработки, стремится к нулю.
Возникновение закалочной деформации включает три стадии:
① Отопление (основано на снятии внутренних напряжений);
② Изоляция (провисание под действием собственного веса, т.е. провисающий изгиб);
3. Охлаждение (основанное на неравномерном охлаждении и фазовом превращении). Эти три этапа накладываются друг на друга и в конечном итоге приводят к закалочной деформации деталей.
Во-вторых, 6 вопросов об изменениях размеров
1. Что является причиной изменения размеров: Обычно изменение размеров вызвано структурными изменениями, то есть расширением и сжатием, вызванными фазовыми превращениями. Расширение происходит при образовании мартенсита при закалке, а сжатие – при образовании остаточного аустенита, причём величина сужения пропорциональна количеству остаточного аустенита. При отпуске обычно происходит сжатие, а легированная сталь, многократно отпущенная и закалённая, расширяется. Кроме того, при холодной обработке мартенсит остаточного аустенита расширяется, вызывая изменение размеров. Удельный объём этих структур увеличивается с увеличением содержания углерода. Чем больше содержание углерода, тем больше изменение размеров.
2. Материал и изменения размеров: Изменение размеров (деформация закалки), вызванное закалкой, варьируется в зависимости от материала стали. P, Mo, Cr, C и Mn оказывают большое влияние на изменение размеров, в то время как Si и Ni оказывают небольшое влияние на изменение размеров. Калибровочные и режущие инструментальные стали SKS3 и SKS31 (инструментальная сталь W-Cr-Mn) являются сталями с малой деформацией закалки и даже называются сталями, которые не подвергаются деформации закалки. Во-вторых, линия пластической деформации стали оказывает большое влияние на изменение размеров при закалке. Вдоль направления линии пластической деформации, то есть в продольном направлении, изменение размеров велико; в направлении, перпендикулярном продольному направлению, то есть в поперечном направлении, изменение размеров мало. Поэтому при выборе материалов необходимо обращать внимание на постоянство направления линии пластической деформации. Кроме того, линейная сегрегация карбидов также влияет на изменение размеров.
3. Закалка и изменение размеров
(1) Изменение размеров, вызванное только структурными изменениями: При закалке стальных деталей происходят различные структурные изменения. Эти изменения приводят к изменению размеров. При преобразовании аустенитной структуры в мартенситную (полная закалка) изменение размеров (расширение) детали максимально; при преобразовании аустенитной структуры в бейнитную изменение размеров составляет примерно 1/3 от указанного выше; при преобразовании в перлитную (отжиг) – примерно 1/4 от указанного выше. Кроме того, расширение, вызванное мартенситом, увеличивается с увеличением содержания углерода в стали.
(2) Влияние остаточного аустенита: благодаря эффекту закалки, даже если остаётся небольшое количество аустенита, изменение размеров, вызванное расширением, соответственно уменьшается. Следовательно, присутствие небольшого количества остаточного аустенита приводит к уменьшению изменения размеров. Однако наличие остаточного аустенита снижает твёрдость после закалки и вызывает деформацию старения при комнатной температуре.
(3) Влияние нерастворенных карбидов: чем меньше карбидов растворяется в аустените при закалочном нагреве; другими словами, чем больше остаточных карбидов, тем меньше изменение размеров. Изменения морфологии и типа остаточных карбидов сами по себе не приводят к изменению объёма, поэтому они не имеют никакого отношения к изменению размеров.
(4) Влияние холодной обработки: при проведении холодной обработки количество остаточного аустенита уменьшается, а количество мартенсита увеличивается, поэтому происходит обширное изменение размеров.
4. Закалка и изменение размеров
(1) Распад мартенсита: Распад мартенсита, вызванный отпуском, является причиной усадочных изменений размеров. Степень изменения размеров зависит от содержания углерода в мартенсите. Чем выше содержание углерода в мартенсите, тем больше изменение размеров. Однако, если рассматривать состояние до закалки как эталон, то общее изменение размеров после закалки и отпуска в конечном итоге всё равно будет характеризоваться расширением.
(2) Влияние нерастворенных карбидов: Если присутствуют нерастворенные карбиды, содержание углерода в аустените уменьшается, а сами карбиды не влияют на изменение размеров, поэтому изменение размеров на первой стадии отпуска (отпуск ниже 200) представляет собой усадку.
(3) Влияние остаточного аустенита: При наличии остаточного аустенита изменение размеров, вызванное отпуском, незначительно; при температуре отпуска выше 200 °C остаточный аустенит превращается в бейнит, вызывая изменение размеров за счёт расширения. Таким образом, на начальном этапе отпуска (ниже 200 °C) остаточный аустенит вызывает усадку. Выше этой температуры температура отпуска повышается, и распад остаточного аустенита приводит к изменению размеров за счёт расширения.
5. Изменения размеров легированной стали
Карбиды в легированной стали часто растворяют специальные элементы, но их удельный объём практически не меняется. Поэтому метод обработки легированной стали аналогичен описанному выше. Однако количество остаточного аустенита варьируется в зависимости от типа и количества легирующих элементов, а количество карбидов также варьируется. Поэтому необходимо учитывать изменения размеров.
6. Как уменьшить изменения размера
Изменения размеров обусловлены изменениями структуры после закалки или отпуска. Поэтому полностью устранить изменения размеров невозможно. Уменьшить их можно только методами термической обработки:
(1) Расширение вызвано мартенситом: сужение вызвано остаточным аустенитом, поэтому количество мартенсита и содержание растворенного в нём углерода следует уменьшить, а количество остаточного аустенита увеличить. Однако следует отметить, что увеличение количества остаточного аустенита приведёт к деформациям старения.
(2) Увеличить количество нерастворенных карбидов (остаточных карбидов). (3) Использовать для закалки стали другие структуры, помимо мартенсита, и бейнит является наилучшим вариантом. Сталь с 50% бейнита и 50% мартенсита отличается твёрдостью и малой деформацией размеров, поэтому её размер легко контролировать.
(4) Необходимо провести закалку.
Время публикации: 05 ноября 2024 г.