Сила растяжения формула. Формула жесткости пружины. Закон Гука в математической форме

Закалка — распространенный процесс термической обработки стальных деталей. Она осуществляется путем нагрева деталей выше критической точки Ас 3 (доэвтектоидной стали) или Ас 1 (заэвтектоидной стали) на 30—50° С, выдержки при этой температуре и быстрого охлаждения. Основная цель закалки стали — получение высокой твердости, износостойкости и физико-механических свойств.

Резкое увеличение твердости и прочности в процессе закалки происходит из-за фазовых превращений структуры в процессе нагрева и охлаждения и образования неравновесных твердых структур—мартенсита, троостита и сорбита.

Качество закалки зависит от правильного выбора режима закалки (температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения). Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали. Для углеродистых сталей ее выбирают, пользуясь диаграммой состояния сплавов.

Нагрев деталей должен быть достаточно медленным, чтобы не возникли напряжения и трещины. Время нагрева зависит от химического состава стали, от формы и размеров деталей. Если нагрев производится в соляных ваннах, то скорость нагрева рекомендуется 0,5 мин на 1 мм сечения, если деталь нагревают в электрических печах, то время нагрева рекомендуется 15—20 мин на 1 мм сечения образца. Время выдержки должно быть достаточным, чтобы весь процесс превращения перлита в аустенит завершился полностью. Продолжительность выдержки обычно рекомендуют 25% общего времени нагрева.

Охлаждение детали является наиболее ответственным этапом операции. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы обеспечить получение нужной структуры —мартенсита, троостита или сорбита, т. е. обеспечить необходимые механические свойства обрабатываемой детали.

Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры —мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

При скорости охлаждения меньше критической в структуре закаленной стали, наряду с мартенситом, будет находиться троостит, а при дальнейшем уменьшении скорости получаются структуры троостита или сорбита без мартенсита. Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит до температуры начала мартенситного превращения данной стали путем быстрого охлаждения стали (температура наименьшей устойчивости аустенита 550— 650° С).

В зоне температур мартенситного превращения, т. е. ниже 300° С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как структурные напряжения успевают выравниваться, а твердость образовавшегося мартенсита при выдержке ниже точки М к практически не снижается.

Для успешного проведения термической обработки правильный выбор закалочный среды имеет большое значение.

Для закалки среднеуглеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С, а для большинства остальных сталей — масло.

Способность стали закаливаться на определенную глубину называется прокаливаемостью. За глубину закалки принимают расстояние от поверхности закаленной детали до слоя с полумартенентной структурой (50% мартенсита и 50% троостита).

При охлаждении в процессе закалки в стали возникают внутренние напряжения —термические и структурные. Термические напряжения возникают в результате неравномерного охлаждения, а структурные напряжения — при превращении аустенита в мартенсит, что сопровождается значительным увеличением объема. В результате создания таких напряжений при закалке может возникать брак следующих видов: трещины, коробление, бочкообразность, изменение объема. Дефектами закалки являются также мягкие пятна, пониженные твердость и прочность стали, обезуглероживание, окисление, перегрев, пережог и др.

Правильное погружение деталей в закалочную среду помогает избежать образования некоторых дефектов (поводки, коробления,трещин и др.).

Рис. 33.

При погружении деталей можно руководствоваться следующими положениями (рис. 33);:

а) длинные детали (сверла, развертки, протяжки) погружать в строго вертикальном положении;

б) детали, имеющие вогнутую поверхность, погружать в закалочную среду вогнутой поверхностью вверх, так как в противном случае образуется паровой мешок и в этом месте деталь не закалится;

в) детали, имеющие толстую и тонкие части, погружать в закалочную среду толстой частью;

г) тонкие и плоские детали погружать узкой стороной.

В зависимости от толщины закаленного слоя в деталях различают объемную и поверхностную закалку. В зависимости от скорости охлаждения различают закалку ступеньчатую и изотермическую, а в зависимости от метода нагрева —закалку с нагревом в печах, токами высокой частоты, газовым пламенем и в электрических печах. Объемная закалка (полная) с непрерывным охлаждением применяется для углеродистых сталей (охлаждение в воде) и для легированных сталей (охлаждение в масле). Этот способ заключается в том, что нагретую деталь погружают в закалочную среду и держат до полного охлаждения. Недостатком этого способа является возникновение больших термических напряжений из-за резкой разности температур нагретой детали и охлаждающей среды.

Ступенчатая закалка производится путем быстрого охлаждения последовательно в двух различных охлаждающих средах. Первой охлаждающей средой являются расплавленные соли или масло с температурой на 20—30° С выше температуры начала мартенситного превращения (точка М н) для данной стали. В горячей среде деталям дают кратковременную выдержку. Выдержка в расплавленных солях или масле должна обеспечить выравнивание температуры по сечению детали, но не вызывать распада аустенита. Второй охлаждающей средой является воздух. При этом аустенит переходит в мартенсит. Достоинством такого способа закалки является уменьшение термических напряжений, а следовательно, трещин, поводки и коробления, а также хорошее сочетание высокой вязкости с прочностью. Ступенчатую закалку применяют для мелких деталей (сечением 8—10 мм) из углеродистой стали и для деталей (сечением до 30 мм) из легированной стали.

Изотермическая закалка так же, как и ступенчатая, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые или щелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегда (на 20—100° С) выше точки мартенситного превращения для данной стали.

Время выдержки должно быть достаточным для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе.

Изотермическая закалка широко применяется для деталей из высоколегированных сталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства, т. е. сочетание высокой вязкости с прочностью.

Светлая закалка стальных деталей при любой разновидности процесса закалки производится в специально оборудованных печах с применением защитных сред или в ваннах с расплавленными слоями. Ванны для нагрева деталей под закалку обычно делают из хлористого натрия при температуре на 30—50° С выше температуры точки
Ас 1 _ 3 .

Охлаждение деталей производят при температуре 180—200° С в ванне, состоящей из 75% едкого кали и 25% едкого натра, с добавлением 6—8% воды (от веса всей соли). Такая смесь обладает очень высокой закаливающей способностью.

После светлой закалки поверхности детали приобретают светлый серебристо-белый цвет. В этом случае отпадает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка с самоотпуском имеет широкое применение в инструментальном производстве. Процесс состоит в том, что детали выдерживаются в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекаются из нее с целью сохранения в сердцевине детали некоторого количества тепла, за счет которого производится последующий отпуск.

Для придания металлам определённых качеств, например, прочности, их подвергают специальной термической обработке, которая называется закалка. Во время этого процесса металл подвергают нагреву при очень высоких температурах, при этом доводят сталь до критической точки, а затем быстро охлаждают. Для быстрого охлаждения стали могут применяться в качестве охладителя сжатый воздух, водяной туман, жидкая полимерная закалочная среда.

Это сложный вид обработки металла, так как при этом металл становится не только прочным, но и не таким вязким и эластичным, как до обработки. Чтобы металлическое изделие после закалки получило необходимые качества, применяют различные виды закалки. Каким бы способом ни производилась закаливание, необходимо соблюдать определённые меры безопасности.

1. Если деталь нужно опустить в масляную ванну, делать это только с помощью щипцов с длинными ручками.
2. Маски для лица использовать только с закалёнными стёклами.
3. Перчатки для работы должны иметь огнеупорные свойства.
4. Для изготовления одежды должна применяться огнеупорная ткань.

Способы закалки стали

Есть несколько видов закалки, выбор которых зависит от того, какой состав имеет металл, какой характер у обрабатываемой детали, насколько необходимо увеличить прочность материала и при каких условиях будет происходить охлаждение. Способы, при которых происходит обработка металла, также можно разделить на несколько подвидов.

Использование одной среды

Способ достаточно прост, но он подходит не для каждой марки стали и не для всех деталей. В данном случае используется быстрое охлаждение с большим интервалом температур. В процессе обработки возникает температурная неравномерность и большое внутреннее напряжение в материале, что может привести к деформации изделия и даже к его разрушению. Материал, который имеет большое содержание углерода в своём составе, не подходит для такой обработки.

Закалка металла в несколько ступеней

При этом методе сталь после нагрева до нужной температуры погружают в соляную ванну. Это помогает выровнять ее температуру. После этого деталь охлаждают до обычной температуры с использованием масла или воздуха. При этом способе снимается внутреннее напряжение и повышаются механические качества изделия. Такой способ подходит для обработки небольших деталей.

Изотермическая

Такой вид обработки производится почти так же, как и ступенчатая закалка, но при этом изделие выдерживают в соляной ванне более длительное время. При применении изотермической закалки на качества детали скорость охлаждения не влияет. Преимущества такого вида закаливания в том, что сталь практически не коробится и полностью отсутствуют трещины. Металл становится более вязким.

Светлая

Для этой процедуры используют специальные печи, которые имеют защитную среду. Перед тем как заложить инструмент в такую печь, его подвергают нагреву в соляной ванне, которая содержит хлористый натрий, а затем охлаждают в ванне , содержащей смесь едкого калия и едкого натрия с небольшим добавлением воды.

Закаливание с самоотпуском

Такой способ подходит для инструментального производства. Суть такого метода в том, что нагретые детали извлекают из среды для охлаждения до того, как они полностью остынут. Таким образом удаётся сохранить немного тепла в сердцевине детали. Именно это тепло даёт возможность производить отпуск изделия. Только когда он произведён, изделие полностью охлаждают при помощи специальной жидкости. Такая термическая обработка применяется для стали, которая идёт на изготовление инструментов, требующих высокой прочности при эксплуатации.

Способы, применяемые для охлаждения

При быстром охлаждении закалённая сталь приобретает внутреннее напряжение, которое со временем приводит к тому, что детали, изготовленные из нее, начинают коробиться, и в них могут появиться трещины. Эти отрицательные качества сталь может получить, если её охлаждать в воде. Лучше для охлаждения использовать масло. Однако для некоторых деталей, при изготовлении которых применялась углеродистая сталь, использование масла не подходит, так как процесс охлаждения недостаточно быстр. В этом случае лучше использовать закаливание в двух средах, с самоотпуском или иной способ.

От того, каким способом деталь погружают в среду для закаливания, зависит внутреннее напряжение в металле. Основные правила , которых необходимо придерживаться при охлаждении, следующие:

• если по своей конфигурации деталь имеет тонкую и толстую части, то тогда охлаждают сначала толстую часть;
• чтобы детали длинной и вытянутой формы не покоробились, опускать их в закалочную среду необходимо вертикально;
• если нужно закалить только часть изделия, применяется местная закалка, но в среду для охлаждения погружают всю деталь.

Дефекты, возникающие при закалке металла

Если во время термообработки стали были нарушены технологические нормы, изделия могу иметь недостаточную твёрдость. Это происходит при недостаточно высокой температуре при нагреве и малой выдержке, а также если скорость охлаждения была недостаточной. Это можно исправить отжигом и повторной закалкой или применить более энергичную закалочную среду.

Иногда закалённая сталь получается с крупнозернистой структурой, что влечёт за собой повышенную хрупкость. Это является следствием перегрева изделия. Необходимо произвести отжиг и провести новую закалку при необходимой температуре. Если хрупкость появилась после пережога, исправить такой дефект невозможно.

Если после закалки деталь покоробило и появились трещины, значит, металл имеет высокое внутреннее напряжение. Такие дефекты появляются из-за неравномерного изменения объёма закаливаемой детали, если она имеет неодинаковые размеры и при этом нарушается режим охлаждения. Трещины исправить невозможно , а коробление можно устранить правкой или рихтовкой. Иногда на обрабатываемом изделии после закалки появляется окалина. Исправить такой брак невозможно. Этого можно избежать, если нагревать детали в печах, которые имеют защитную атмосферу.

Технологии придания большей твердости металлам и сплавам совершенствовались в течение долгих веков. Современное оборудование позволяет проводить термическую обработку таким образом, чтобы значительно улучшать свойства изделий даже из недорогих материалов.

Закалка (мартенситное превращение) — основной способ придания большей твердости сталям. В этом процессе изделие нагревают до такой температуры, что железо меняет кристаллическую решетку и может дополнительно насытиться углеродом. После выдержки в течение определенного времени, сталь охлаждают. Это нужно сделать с большой скоростью, чтобы не допустить образования промежуточных форм железа.
В результате быстрого превращения получается перенасыщенный углеродом твердый раствор с искаженной кристаллической структурой. Оба эти фактора отвечают за его высокую твердость (до HRC 65) и хрупкость.
Большинство углеродистых и инструментальных сталей при закаливании нагревают до температуры от 800 до 900С, а вот быстрорежущие стали Р9 и Р18 калятся при 1200-1300С.

Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5: а) литое состояние; б) после ковки и отжига;
в) после закалки; г) после отпуска. ×500.

Режимы закалки

• Закалка в одной среде

Нагретое изделие опускают в охлаждающую среду, где оно остается до полного остывания Это самый простой по исполнению метод закалки, но его можно применять только для сталей с небольшим (до 0,8%) содержанием углерода либо для деталей простой формы. Эти ограничения связаны с термическими напряжениями, которые возникают при быстром охлаждении — детали сложной формы могут покоробиться или даже получить трещины.

• Ступенчатая закалка

При таком способе закалки изделие охлаждают до 250-300С в соляном растворе с выдержкой 2-3 минуты для снятия термических напряжений, а затем завершают охлаждение на воздухе. Это позволяет не допускать появления трещин или коробления деталей. Минус этого метода в сравнительно небольшой скорости охлаждения, поэтому его применяют для мелких (до 10 мм в поперечнике) деталей из углеродистых или более крупных — из легированных сталей, для которых скорость закалки не столь критична.

• Закалка в двух средах

Начинается быстрым охлаждением в воде и завершается медленным — в масле. Обычно такую закалку используют для изделий из инструментальных сталей. Основная сложность заключается в расчете времени охлаждения в первой среде.

• Поверхностная закалка (лазерная, токами высокой частоты)

Применяется для деталей, которые должны быть твердыми на поверхности, но иметь при этом вязкую сердцевину, например, зубья шестеренок. При поверхностной закалке внешний слой металла разогревается до закритических значений, а затем охлаждается либо в процессе теплоотвода (при лазерной закалке), либо жидкостью, циркулирующей в специальном контуре индуктора (при закалке током высокой частоты)

Отпуск

Закаленная сталь становится чрезмерно хрупкой, что является главным недостатком этого метода упрочнения. Для нормализации конструкционных свойств производят отпуск — нагрев до температуры ниже фазового превращения, выдержку и медленное охлаждение. При отпуске происходит частичная «отмена» закалки, сталь становится чуть менее твердой, но более пластичной. Различают низкий (150-200С, для инструмента и деталей с повышенной износостойкостью), средний (300-400С, для рессор) и высокий (550-650, для высоконагруженных деталей) отпуск.

Таблица температур закалки и отпуска сталей

Термообработка цветных металлов

Сплавы на основе других металлов не отвечают на закалку столь же ярко, как стали, но их твердость тоже можно повысить термообработкой. Обычно используют сочетание закалки и предварительного отжига (нагрева выше точки фазового превращения с медленным охлаждением).

• Бронзы (сплавы меди) подвергают отжигу при температуре чуть ниже температуры плавления, а потом закалке с охлаждением водой. Температура закалки от 750 до 950С в зависимости от состава сплава. Отпуск при 200-400С производят в течение 2-4 часов. Наибольшие показатели твердости, до HV300 (около HRC 34) можно при этом получить для изделий из бериллиевых бронз.
• Твердость серебра можно повысить отжигом до температуры, близкой к температуре плавления (тусклый красный цвет) с последующей закалкой.
• Различные сплавы никеля подвергают отжигу при 700-1185С, такой широкий диапазон определяется разнообразием их составов. Для охлаждения используют соляные растворы, частички которых потом удаляют водой либо защитные газы, препятствующие окислению (сухой азот, сухой водород).

Оборудование и материалы

Для нагрева металла при термообработке используются 4 основных типа печей:
— соляная электродная ванна
— камерная печь
— печь непрерывного горения
— вакуумная печь

В качестве закалочных сред, в которых происходит охлаждение, используются жидкости (вода, минеральное масло, специальные водополимеры (Термат), растворы солей), воздух и газы (азот, аргон) и даже легкоплавкие металлы. Сам агрегат, где происходит охлаждение, называется закалочная ванна и представляет собой емкость, в которой происходит ламинарное перемешивание жидкости. Важной характеристикой закалочной ванны является качество удаления паровой рубашки.

Старение и другие методы повышения твердости

Старение — еще один вид термообработки, позволяющий повысить твердость сплавов алюминия, магния, титана, никеля и некоторых нержавеющих сталей, которые подвергают предварительной закалке без полиморфного превращения. В процессе старения увеличиваются твердость и прочность, а пластичность понижается.

• Сплавы алюминия, например, дуралюмины (4-5% меди) и сплавы с добавлением никеля и железа выдерживают в пределах часа при температуре 100-180С
• Сплавы никеля подвергают старению в 2-3 этапа, что в сумме занимает от 6 до 30 часов при температурах от 595 до 845С. Некоторые сплавы подвергают предварительной закалке при 790-1220С. Детали из никелевых сплавов помещают в дополнительный контейнеры, чтобы предохранить от контакта с воздухом. Для нагрева используют электрические печи, для мелких деталей могут применяться соляные электродные ванны.
• Мартенситно-стареющие стали (высоколегированные безуглеродистые сплавы железа) стареют около 3 часов при 480-500С после предварительного отжига при 820С

Химико-термическая обработка - насыщение поверхностного слоя легирующими элементами,

• неметаллическими: углеродом (цементация) и азотом (азотирование) применяются для повышения износостойкости колен, валов, шестерней из низкоуглеродистых сталей
• металлическими: например, кремнием (силицирование) и хромом помогает повысить износо- и коррозионную стойкость деталей

Цементирование и азотирование производят в шахтных электропечах. Существуют также универсальные агрегаты, позволяющие проводить весь спектр работ по термохимической обработке стальных изделий.

Обработка давлением (наклеп) — увеличение твердости в результате пластической деформации при относительно низких температурах. Таким образом происходит упрочнение низкоуглеродистых сталей при холодной объемной штамповке, а также чистых меди и алюминия.

В процессе термической обработки изделия из стали могут претерпевать поразительные превращения, приобретая износостойкость и твердость, в разы большую чем у исходного материала. Диапазон изменения твердости сплавов из цветных металлов при термической обработке гораздо меньше, но их уникальные свойства зачастую и не требуют масштабного улучшения.