Во-первых, деформация при закалке приводит к изменению размеров и формы.
Деформация при закалке бывает двух типов: изменение размеров и изменение формы. Так называемое изменение размеров — это изменение размеров, вызванное расширением или сжатием вследствие фазового перехода во время закалки, в основном относящееся к подобным деформациям, таким как удлинение, укорочение, утолщение и утонение. Деформация в основном вызвана провисанием под действием собственного веса деталей и искажением формы под действием напряжений, например, неподобными деформациями, такими как коробление, изгиб и скручивание. Конечно, если изменяется размер, изменяется и форма, поэтому часто возникает путаница между изменением размеров и деформацией, и изменения размеров и деформации часто перекрываются. Наиболее уместно выразить это образно с помощью деформации при закалке. В металлургии деформация при закалке определяется как состояние, при котором сумма напряжений, возникающих в деталях после термической обработки, стремится к нулю.
Возникновение деформационного напряжения при закалке включает три стадии:
① Нагрев (на основе устранения внутренних напряжений);
② Изоляция (провисание под действием собственного веса, т.е. провисание при изгибе);
③ Охлаждение (основанное на неравномерном охлаждении и фазовых превращениях). Эти три стадии перекрываются и в конечном итоге приводят к деформации деталей при закалке.
Во-вторых, 6 вопросов об изменениях размеров.
1. Какова причина изменения размеров: Обычно изменение размеров обусловлено изменением структуры, то есть расширением и сжатием, вызванными фазовыми превращениями. Расширение происходит при закалке, в результате чего образуется мартенсит, а сжатие — при образовании остаточного аустенита, при этом величина сжатия пропорциональна количеству остаточного аустенита. При отпуске обычно происходит сжатие, а в случае легированной стали, прошедшей многократный отпуск и закалку, — расширение. Кроме того, при холодной обработке мартенсит остаточного аустенита расширяется, вызывая изменение размеров. Удельный объем этих структур увеличивается с увеличением содержания углерода. Чем выше содержание углерода, тем больше изменение размеров.
2. Материальные и размерные изменения: Изменение размеров (деформация при закалке), 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 незначительное влияние. Инструментальные стали SKS3 и SKS31 (W-Cr-Mn инструментальная сталь) обладают малой деформацией при закалке и даже называются сталями, не подвергающимися деформации при закалке. Во-вторых, линия пластического течения стали оказывает большое влияние на изменение размеров при закалке. Вдоль направления линии пластического течения, 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 согласованность направления линии пластического течения. Кроме того, линейная сегрегация карбидов также влияет на изменение размеров.
3. Закалка и изменение размеров
(1) Изменение размеров, вызванное только изменением структуры: При закалке стальных деталей происходят различные изменения структуры. Эти изменения структуры вызывают изменение размеров. Когда аустенитная структура превращается в мартенситную (полная закалка), изменение размеров (расширение) детали является наибольшим; когда аустенитная структура превращается в бейнитную, изменение размеров составляет примерно 1/3 от указанного выше; когда она превращается в перлитную (отжиг), оно составляет примерно 1/4 от указанного выше. Кроме того, расширение, вызванное мартенситом, увеличивается с увеличением содержания углерода в стали.
(2) Влияние остаточного аустенита: Из-за эффекта закалки, даже если остается небольшое количество аустенита, изменение размеров, вызванное расширением, соответственно уменьшается. Следовательно, наличие небольшого количества остаточного аустенита приводит к уменьшению изменения размеров. Однако наличие остаточного аустенита снижает твердость при закалке и вызывает деформацию старения при хранении при комнатной температуре.
(3) Влияние нерастворенных карбидов: При закалочном нагреве в аустените растворяется меньше карбидов; другими словами, чем больше остаточных карбидов, тем меньше изменение размеров. Изменения морфологии и типа самих остаточных карбидов не вызывают изменений объема, поэтому они не имеют отношения к изменению размеров.
(4) Влияние холодной обработки: При проведении холодной обработки количество остаточного аустенита уменьшается, а количество мартенсита увеличивается, поэтому происходит расширение и изменение размеров.
4. Закалка и изменение размеров
(1) Разложение мартенсита: Разложение мартенсита, вызванное отпуском, является причиной усадочного изменения размеров. Величина изменения размеров зависит от содержания углерода в мартенсите. Чем выше содержание углерода в мартенсите, тем больше изменение размеров. Однако, если принять состояние до закалки за эталон, то общее изменение размеров после закалки и отпуска в конечном итоге все равно будет иметь расширяющий характер.
(2) Влияние нерастворенных карбидов: Если присутствуют нерастворенные карбиды, содержание углерода в аустените уменьшается, и сами карбиды не влияют на изменение размеров, поэтому изменение размеров на первом этапе отпуска (отпуск ниже 200) представляет собой усадку.
(3) Влияние остаточного аустенита: Если присутствует остаточный аустенит, изменение размеров, вызванное отпуском, незначительно; когда температура отпуска выше 200℃, остаточный аустенит превращается в бейнит, вызывая расширение и изменение размеров. Поэтому на начальной стадии отпуска (ниже 200°C) остаточный аустенит вызывает уменьшение размеров. Выше этой температуры температура отпуска повышается, и разложение остаточного аустенита вызывает расширение и изменение размеров.
5. Изменение размеров легированной стали
Карбиды в легированной стали часто растворяют специальные элементы, но их удельный объем практически не изменяется. Поэтому метод обработки легированной стали аналогичен описанному выше. Разница лишь в том, что количество остаточного аустенита варьируется в зависимости от типа и количества легирующих элементов, а также изменяется количество карбидов. Следовательно, необходимо учитывать изменения их размеров.
6. Как уменьшить изменения размеров
Изменения размеров вызваны изменениями в структуре после закалки или отпуска. Поэтому полностью устранить изменения размеров невозможно. Их можно лишь уменьшить с помощью методов термической обработки:
(1) Расширение вызвано мартенситом: Сжатие вызвано остаточным аустенитом, поэтому количество мартенсита и содержание углерода, растворенного в мартенсите, должно быть уменьшено, а количество остаточного аустенита должно быть увеличено. Однако следует отметить, что увеличение остаточного аустенита вызовет деформацию старения.
(2) Увеличьте количество нерастворенных карбидов (остаточных карбидов). (3) Используйте другие структуры, помимо мартенсита, для упрочнения стали, при этом бейнит является наилучшим вариантом. Сталь с 50% бейнита и 50% мартенсита тверда и имеет небольшие изменения размеров, поэтому легко контролировать размер.
(4) Необходимо провести закалку.
Дата публикации: 05.11.2024