Закалочные структуры

Чем выше температура отпуска и чем больше его продолжительность, тем в большей степени снимаются напряжения (рис. 244). Отпуск при 550°С практически полностью устраняет закалочные напряжения (исходные напряжения с 60 кгс/мм2 уменьшились до 5—10 кгс/мм2).

отпуске. Если конструкционная сталь с обычным содержанием углерода (около 0,3%) содержит повышенное количество кар-бидообразующих элементов (хром, молибден, вольфрам, ванадий), то твердость ее не снижается до высоких температур отпуска (500—550°С, рис. 302). Если вместо отпуска 200°С на максимальную прочность применить отпуск 500°С, то при этом в большей мере снимутся закалочные напряжения и можно ожидать большей вязкости.

При выборе стали следует учитывать, что легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита против отпуска, поэтому для получения требуемой прочности и твердости легированные стали при улучшении подвергают отпуску при более высоком температуре. Это позволяет не только более полно снять закалочные напряжения, но и получить в стали лучшее сочетание прочности и вязкости.

Для деталей сложной формы перед обработкой холодом применяют отпуск, что устраняет закалочные напряжения и предотвращает возникновение трещин и коробления.

Закалочные напряжения снижают рациональным ведением процесса (ступенчатая, изотермическая' закалка).

На рис. 197 показаны остаточные напряжения в поверхностном слое после закалки ТВЧ, отпуска и наклепа. Закалка (кривая 1) создает остаточные напряжения сжатия 73 кгс/мм2 на глубине до 0,8 мм. Отпуск при 100°С несколько снижает напряжения сжатия (кривая 2) в связи с превращением мартенсита закалки в мартенсит отпуска. С дальнейшим повышением температуры отпуска (постепенное превращение мартенсита отпуска в троостит) напряжения сжатия существенно уменьшаются (кривые 3, 4) и при 400°С (полное превращение мартенсита в троостит) практически исчезают (кривая 5).-Наклеп (кривые 6 — 8) создает в поверхностном слое напряжения сжатия ~80 кгс/мм2 почти независимо от вида предшествующей термообработки (при сопоставлении попарно кривых 3 — 7 и 4 - 8 отчетливо видно наложение напряжений сжатия, вызванных наклепом, на постепенно снижающиеся с повышением температуры отпуска закалочные напряжения).

Отпуск стали — необходимая и заключительная операция термической обработки, в результате которой формируются окончательная структура и свойства стали. При отпуске снижаются и устраняются внутренние закалочные напряжения, повышаются вязкость и пластичность, несколько понижается твердость. В зависимости от температуры нагрева различают отпуск низкотемпературный, среднетем-пературный и высокотемпературный. Для деталей узлов трения применяют низкотемпературный отпуск с нагревом до 150—200°С. При этом несколько снижаются внутренние напряжения, но твердость остается высокой (58-62 HRC). Структура стали после отпуска состоит из мартенсита отпуска. Этот вид отпуска применяется также для режущих и измерительных инструментов и для изделий, подвергающихся цементации и нитроцемснтации.

Применяемая в настоящее время для изготовления глубинно-насосных штанг легированная сталь перлитного класса 20Н2М не отвечает требованиям нефтедобывающей промышленности (большое число обрывов колонн, приводящих к длительным остановкам скважин). Это связано с тем, что в стали при термообработке возникают закалочные напряжения и деформации (закалка в воде), причем, как правило, растягивающие поверхностные остаточные напряжения, гчто существенно снижает коррозионно-усталост-ную стойкость штанг. Кроме того, значительное содержание никеля в стали повышает ее стоимость.

напряжений в стали У8А после лазерной обработки существенно не отличается от распределения их в поверхностном слое стали 45 и имеет некоторые особенности в нижележащих слоях. В глубине упрочненного слоя растягивающие напряжения в стали У8А несколько превышают по величине макронапряжения в стали 45. Это вполне закономерно, так как закалочные напряжения тем больше, чем выше содержание углерода в стали. Кроме этого, на кривой напряжений, возникших в закаленной стали после обработки лучом лазера, при глубине, соответствующей примерно месту нахождения зоны отпуска ранее закаленного основного материала, наблюдаются закономерные острые максимумы. Такое явление, очевидно, связано с тем, что при лазерном облучении закаленных сталей между так называемым белым слоем и структурой исходной закаленной стали располагается зона скоростного отпуска, имеющая трооститную структуру. Структурные превращения такого характера связаны с уменьшением объемов. А так как зона отпуска имеет довольно малый размер, то напряжения принимают максимальные значения, что является нежелательным явлением, так как в этих местах возможна релаксация напряжений I рода в результате появления трещин.

С аналогичными проблемами сталкиваются, если образцы изготавливаются из штамповок или поковок, содержащих остаточные закалочные напряжения. Рассчитанные по уравнению (5) уровни /Ci для таких образцов не соответствуют реальным уровням. В этой связи следует отметить, что влияние остаточных напряжений на поведение образцов ДКБ ясно демонстрирует, какую

В отличие от других сплавов серии 2000 следует отметить понижение предела текучести сплава 2021 после окончательной термической обработки материала, если холодная деформация предшествует искусственному старению, что является результатом изменений в процессе зарождения выделений [124]. Вредное влияние холодной деформации, такой как правка растяжением с целью выровнять и снять закалочные напряжения в плите, может быть уменьшена. Для этого правку проводят после предварительного старения по режиму нагрев при 149°С в течение 1 ч. Предварительная термическая обработка создает систему структурных выделений перед операцией растяжения [125]. Таким образом, технологическая схема обработки для сплава 2021 (на состояние

Повышение прочности низколегированных сталей достигается легированием их элементами, которые растворяются в феррите и измельчают перлитную составляющую. Наличие этих элементов при охлаждении тормозит процесс распада аустенита и действует равносильно некоторому увеличению скорости охлаждения. Поэтому при сварке в зоне термического влияния на участке, где металл нагревался выше температур Aclt при повышенных скоростях охлаждения могут образовываться закалочные структуры. Металл, нагревавшийся до температур значительно выше Аса, будет иметь более грубозернистую структуру.

Напряжения второго рода возникают вследствие неоднородности кристаллического строения и различия физико-механических свойств фаз и структур сплавов. Фазы, например в черных металлах, феррит, аустенит, цементит, графит обладают различной кристаллической решеткой; их плотность, прочность и упругость, теплопроводность, теплоемкость, характеристики теплового расширения различные. Структуры, представляющие собой смесь фаз, например перлит в сталях, а также закалочные структуры, в свою очередь, обладают отличными от смежных структур свойствами. Различие кристаллической ориентации зерен металла обусловливает анизотропию физико-механических свойств микрообъемов металла. В результате совместного действия этих факторов возникают внутри-зеренные и межзеренные напряжения еще в процессе первичной кристаллизации и при последующих превращениях во время охлаждения. При высоких температурах напряжения уравновешиваются благодаря пластичности материала. Однако они проявляются в низкотемпературной области, возникая при фазовой перекристаллизации1 и выпадении вторичных и третичных фаз (фазовый наклеп), при каждом. общем или местном повышении температуры (из-за различия теплопроводности и коэффициентов линейного расширения структурных составляющих), приложении внешних нагрузок (из-за различия и анизотропии механических свойств), а также 'при наклепе, наступающем в результате общего или местного перехода напряжений за предел текучести материала.

Способы предотвращения холодных трещин в сварных соединениях направлены на уменьшение или устранение отрицательного действия основных факторов, обусловливающих их образование, путем: 1) регулирования структуры металла сварных соединений; 2) снижения концентрации диффузионного водорода в шве; 3) уменьшения уровня сварочных напряжений. Способы регулирования структуры рассмотрены в п. 13.3. Наиболее часто для предотвращения холодных трещин применяют предварительный или последующий подогрев сварных соединений. При сварке углеродистых и низколегированных сталей, не содержащих активных карбидообразующих, подогрев может исключить закалочные структуры в шве и ЗТВ. Кроме того, подогрев способствует интенсивному удалению Нд из соединения. При невозможности или нецелесообразности применения подогрева проводят низкий или высокий отпуск сварных узлов непосредственно после сварки. Для предотвращения XT в ряде случаев (мартенситные стали небольших толщин) достаточен местный кратковременный отпуск с помощью индуктора ТВЧ или других концентрированных источников теплоты с нагревом до 1000 К в течение 2...3 мин.

При значительном локальном повышении температуры и последующем резком охлаждении поверхности окружающей холодной массой на поверхности металла могут образовываться закалочные структуры. Этому способствует высокое контактное давление, понижающее температуру некоторых структурно-фазовых превращений. Высокие градиенты температур в совокупности с пластической деформацией и инициируемыми структурно-фазовыми превращениями создают в металлах и сплавах высокие внутренние напряжения, которые могут порождать дефекты структуры и ее ослабление или разрыхление. В условиях высоких удельных нагрузок и температур при трении возможно образо-

где углерод (С), марганец (Мп), хром (Сг), молибден (Мо), ванадий (V), никель (Ni), медь (Си)—максимальные массовые содержания этих элементов в стали (%) согласно данным технических условий или стандартов. Если для низколегированной стали СЭКв^О,49 %, то сварку можно вести без предварительного подогрева. При сварке стали, склонной к закалке, в околошовной зоне могут появиться закалочные структуры с высокой твердостью, низкими вязкостью и пластичностью, склонные к хрупкости и разрушению даже под действием только сварочных напряжений. Склонность стали к закалке тем выше, а следовательно, свариваемость тем хуже, чем больше в ней углерода, а также легирующих элементов.

Напряжения второго рода возникают вследствие неоднородности кристаллического строения и различия физико-механических свойств фаз и структур сплавов. Фазы, например в черных металлах, феррит, аустенит, цементит, графит обладают различной кристаллической решеткой; их плотность, прочность и упругость, теплопроводность, теплоемкость, характеристики теплового расширения различные. Структуры, представляющие собой смесь фаз, например перлит в сталях, а также закалочные структуры, в свою очередь, обладают отличными от смежных структур свойствами. Различие кристаллической ориентации зерен металла обусловливает анизотропию физико-механических свойств микрообъемов металла. В результате совместного действия этих факторов возникают внутри-зеренные и межзеренные напряжения еще в процессе первичной кристаллизации и при последующих превращениях во время охлаждения. .При высоких температурах напряжения уравновешиваются благодаря пластичности материала. Однако они проявляются в низкотемпературной области, возникая при фазовой перекристаллизации1 и выпадении вторичных и третичных фаз (фазовый наклеп), при каждом общем или местном повышении температуры (из-за различия теплопроводности и коэффициентов линейного расширения структурных составляющих), приложении внешних нагрузок (из-за различия и анизотропии механических свойств), а также 'при наклепе, наступающем в результате общего или местного перехода напряжений за предел текучести материала.

Результаты исследований показали, что сталь 08Г2СФБ, испытанная по методике ИМЕТ и МВТУ им. Баумана [3], устойчива к образованию горячих трещин при сварке и аналогична стали 10Т2С1, применяемой в настоящее время для изготовления рулонированных сосудов высокого давления. При газовой резке стали 08Г2СФБ в зоне термического влияния отсутствуют малопластичные закалочные структуры с повышенной твердостью. В связи с этим сварка стали 08Г2СФБ толщиной до 4 мм может производиться без механической обработки по кромкам со следами газовой резки.

Исследование влияния элементов приварки из фольги на прочность аппаратов высокого и сверхвысокого давлений должно проводиться с целью определения возможности ее применения. Действительно, в случае изготовления сосудов из подкаливающихся сталей в районе приварки могут возникать закалочные структуры с повышенной твердостью и пониженными пластическими свойствами. Наличие таких структур может привести в процессе нагружения испытываемой конструкции к возникновению надрывов и микротрещин, что, в свою очередь, служит причиной разрушения конструкции или снижения ее работоспособности. С целью оценки влияния эффекта подкалки на работоспособность элементов конструкции

Свариваемость среднеуглеродистой стали удовлетворительная, однако в сварном шве и з'оне термического влияния могут образоваться закалочные структуры и трещины. Сварку выполняют слегка науглероживающим пламенем, так как даже при небольшом избытке в пламени кислорода происходит существенное выгорание углерода. Удельная мощность пламени должна быть в пределах 80—100 л/(ч-мм). Рекомендуемый способ сварки — левый, так как в этом случае металл не перегревается. При толщине металла более 3 мм следует проводить предварительный общий подогрев детали до 250—300 °С или местный нагрев до 650—700 °С. Присадочным материалом служит сварочная проволока марок, указанных для малоуглеродистой стали, и проволока Св-12ГС.

Электроискровая обработка заключается в легировании поверхностного слоя металла изделия, являющегося катодом, материалом электрода (анода) при искровом разряде в воздушной среде (рис. 52). В результате химических реакций легирующего металла с диссоциированным атомарным азотом и углеродом воздуха, а также с материалом детали в поверхностных слоях образуются закалочные структуры и сложные химические соединения (высокодисперсные нитриды, карбонитриды и карбиды), возникает диффузионный износостойкий упрочненный слой.

Реакция стали к термическому циклу сварки характеризует свариваемость с позиции структурных превращений, определяющих свойства и размеры зоны термического влияния. Основным параметром термического цикла, определяющим структурные превращения в ЗТВ, является скорость охлаждения при сварке осв. Если скорость охлаждения осв меньше некоторой критической Ъщ» то в ЗТВ не образуются закалочные структуры, имеющие высокую твердость и пониженные вязкопластические свойства (б - относительное удлинение; ц> - относительное сужение; KCV - ударная вязкость; Кс - критический коэффициент интенсивности напряжений и др.). При и > икр закалоч-