Изменение пластичности при закалке

Закалка углеродистых сталей приводит к резкому снижению всех показателей пластичности. Относительное удлинение и сужение закаленных высокоуглеродистых сталей равны нулю. В то время, когда считалось, что мартенситное превращение протекает только в сталях, обычно подчеркивалось, что мартенсит тверд, но хрупок.

Когда же обнаружили мартенситное превращение в безуглеродистых железных сплавах и сплавах цветных металлов, то оказалось, что хрупкость не является общим свойством, присущим любому мартенситу. Теперь установлено, что низкое сопротивление хрупкому разрушению мартенсита в сплавах железа связано с присутствием в о.ц.к. решетке элементов внедрения — углерода и азота.

Основная причина резкого охрупчивания при закалке углеродистых сталей — малая подвижность дислокаций в мартенсите, содержащем углерод. Это вызвано, во-первых, повышенным сопротивлением решетки раствора внедрения скольжению дислокаций и, во-вторых закреплением дислокаций атмосферами из атомов углерода. Из-за низкой подвижности дислокаций не происходит релаксации напряжений у вершины хрупкой трещины вследствие микропластической деформации, чем и объясняется низкое сопротивление мартенсита распространению трещины.

Зарождению хрупких трещин способствует локальная концентрация микронапряжений около скоплений дислокаций в мартенсите. Следовательно, мартенсит углеродистых сталей обладает пониженным сопротивлением зарождению и особенно низким сопротивлением развитию хрупких трещин. В высокоуглеродистых сталях микротрещины можно увидеть сразу же после закалки, еще до приложения внешней нагрузки (смотрите рисунок Микротрещины в пластинах мартенсита).

Картина резко меняется, если углерод вывести из состава сплава. Так называемые мартенситно-стареющие стали, являющиеся безуглеродистыми сплавами железа с никелем, кобальтом, молибденом и титаном (о них смотрите в Структурных изменениях при отпуске сталей), после закалки на мартенсит отличаются высокими показателями пластичности (δ = 14 / 20%, ψ = 70 / 80%) и высокой ударной вязкостью (αн = 27 / 30 кгс * м/см2).

Эти сплавы в закаленном состоянии можно обрабатывать при комнатной температуре давлением с высокими обжатиями, в то время как закаленную высокоуглеродистую сталь из-за хрупкости вообще невозможно обработать давлением при комнатной температуре.

Высокие показатели пластичности безуглеродистых железных сплавов после закалки на мартенсит объясняются следующим. В мартенсите при плотности дислокаций, доходящей до 1012 см—2, для закрепления всех дислокаций требуется концентрация углерода около 0,2%. Поэтому в закаленных мартенситностареющих сталях, содержащих не более 0,03% С, имеются незакрепленные дислокации.

Никель и кобальт, содержащиеся в большом количестве в этих сталях (например, сталь с 18% Ni и 8% Со), увеличивают подвижность дислокаций в мартенсите, так как они понижают сопротивление решетки мартенсита скольжению дислокаций (уменьшают силу Пайерлса — Набарро) и уменьшают степень закрепления дислокаций атомами примесей углерода и азота. Высокая подвижность дислокаций в железоникелевом мартенсите обеспечивает разрядку напряжений у вершины трещины, повышая сопротивление хрупкому разрушению.

Если отвлечься от проблемы хрупкости твердых растворов с о. ц. к. решеткой, содержащих элементы внедрения, то следует заметить, что закаленные на мартенсит металлы и сплавы в общем могут иметь довольно высокие показатели пластичности, хотя после мартенситного превращения из-за повышенной плотности дефектов решетки показатели пластичности должны быть ниже, чем после полиморфного превращения с неупорядоченной перестройкой решетки.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Закалка с обработкой холодом

Во многих сталях мартенситный интервал (Мн — Мк) простирается до отрицательных температур (смотрите рисунок Зависимость температур). В этом случае в закаленной стали содержится остаточный аустенит, который можно дополнительно превратить в мартенсит, охлаждая изделие до температур ниже комнатной. По существу такая обработка холодом (предложена в 1937 г. А. П. Гуляевым) продолжает закалочное охлаждение, прерванное при комнатной…

Охлаждение при закалке

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных…

Способы закалки

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650 — 400 °С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения. Закалка через воду в масло Закалка через воду в масло (закалка в двух средах): 1 — нормальный режим;…

Поверхностный нагрев под закалку

Многие изделия должны иметь высокую поверхностную твердость, высокую прочность поверхностного слоя и вязкую сердцевину. Такое сочетание свойств на поверхности и внутри изделия достигается поверхностной закалкой. Для поверхностной закалки стального изделия необходимо нагреть выше точки Аc3 только поверхностный слой заданной толщины. Этот нагрев должен совершаться быстро и интенсивно, чтобы сердцевина вследствие теплопроводности также не прогрелась до…

Нагрев и охлаждение при закалке сталей

Сквозной нагрев под закалку Превращения в стали при нагревании описаны в Образовании аустенита при нагревании. Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния. Доэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А3 на 30 — 50 °С. Наследственно мелкозернистая сталь допускает более высокий нагрев. При перегреве наследственно крупнозернистой стали закалка дает структуру крупноигольчатого…