Характеристики прокаливаемости

Простейшей характеристикой является глубина прокаливаемости изделия в определенном охладителе. Глубину прокаливаемости можно определить методом пробной закалки по излому, макрошлифу и распределению твердости в сечении изделия. Закаленная на мартенсит сталь хрупка; в закаленной зоне изделие имеет ровный мелкозернистый, матово-серый, часто фарфоровидный излом.

Непрокаленная сердцевина — более вязкая; у нее неровный, шероховатый, слегка волокнистый излом. Граница между этими двумя зонами очень хорошо видна в изломе.


Излом закаленного в воде прутка из стали У8

Излом закаленного в воде прутка из стали У8

Х 2 (видна непрокаленная сердцевина).


На макрошлифе закаленная и непрокаленная зоны травятся по-разному и поэтому различаются довольно четко.

Распределение твердости по сечению закаленного цилиндра показано на рисунке. Характерно интенсивное изменение твердости на определенном расстоянии от поверхности изделия, причем это расстояние соответствует границе между закаленной и непрокаленной зонами, выявляемой по излому и макрошлифу.


Распределение твердости по диаметру образца из стали 60

Распределение твердости по диаметру образца из стали 60

Распределение твердости по диаметру образца из стали 60, закаленного с 815 °С:

1 — закалка в воде;
2 — закалка в масле;
HRC — твердость стали с полумартенситной структурой.


Глубиной прокаливаемости условно считают расстояние от охлаждаемой поверхности до слоя с полумартенситной структурой (50% троостита и 50% мартенсита). В районе этого слоя на твердость очень сильно влияет расстояние от поверхности изделия.

Поэтому глубину прокаливаемости как расстояние от охлаждаемой поверхности до слоя с полумартенситной структурой можно весьма точно определить, измеряя твердость изделия. Твердость сталей с полумартенситной структурой, в том числе и легированных, зависит от содержания углерода.

Твердость сталей с полумартенситной структурой, HRC

Содержание углерода, % Сталь
углеродистая легированная
0,08 — 0,17 25
0,18 — 0,22 25 30
0,23 — 0,27 30 35
0,28 — 0,32 35 35
0,33 — 0,42 40 45
0,43 — 0,52 45 50
0,53 — 0,62 50 55

Пользуясь таблицей и кривой распределения твердости, можно определить, что пруток диаметром 38 мм из стали 60 при закалке в воде с 815 °С будет иметь глубину прокаливаемости 7 мм, а при закалке в масле 0,4 мм.

Характеристикой прокаливаемости может служить также критический диаметр, т. е. диаметр максимального сечения, которое в данном охладителе прокаливается насквозь.

Для определения прокаливаемости углеродистых и легированных сталей, за исключением закаливающихся на воздухе, широко применяют стандартный метод торцовой закалки (метод Джомини). Стандартный образец после нагрева в печи быстро переносят в специальную установку, в которой его охлаждают струей воды под определенным напором только с торца.


Установка (а) и образец (б) для торцовой закалки

Установка (а) и образец (б) для торцовой закалки

Установка (а) и образец (б) для торцовой закалки:

1 — уравнительная трубка для создания постоянства напора;
2 — напорный бачок;
3 — штатив;
4 — образец;
5 — сопло;
6 — сливная коробка.


После полного охлаждения образца по его двум диаметрально противоположным образующим осторожно (без разогрева) сошлифовывают площадки на глубину 0,5 мм. По длине этих площадок через 1,5 — 3 мм измеряют твердость по шкале HRC и строят кривую прокаливаемости в координатах твердость — расстояние от торца. Чем меньше прокаливаемость стали, тем быстрее падает твердость при удалении от торца.

Для разных плавок одной марки стали получается набор кривых прокаливаемости, так как от плавки к плавке прокаливаемости меняется. Поэтому сталь определенной марки характеризуется марочной полосой прокаливаемости.


Полоса прокаливаемости стали 40

Полоса прокаливаемости стали 40


Индексами (цифровыми показателями) прокаливаемости марки могут служить максимальная и минимальная твердость на определенном расстоянии от охлаждаемого торца, максимальное и минимальное расстояние от торца до точек с заданной твердостью (например, «полумартенситной») и др.

Метод торцовой закалки дает хорошо воспроизводимые результаты. Пользуясь им, можно решать многие интересные для практики задачи, в частности по номограммам определять размеры изделия, прокаливающегося насквозь в конкретном охладителе.

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

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;…

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…

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…