Quenching cracks in steel

Термическое сокращение и мартенситное расширение

Когда стальная деталь охлаждается таким образом, чтобы получить в ней мартенсит, происходит два основных размерных изменения. First of all, это – нормальное термическое сокращение вследствие охлаждения, но с наложением на него расширения металла в ходе превращений аустенита в мартенсит. Эти объемные изменения могут приводить к очень высоким внутренним напряжениям. Если эти напряжения становятся достаточно высокими, то они могут вызывать пластические деформации, и стальная деталь или изделие будет подвергаться деформации и короблению. Поскольку пластическое деформирование направлено на то, чтобы снижать жесткость закалочных напряжений, степень, с которое это происходит, зависит от целого ряда факторов. Поэтому является вполне возможным, что достаточно высокие остаточные напряжения, которые остаются в металле, способны приводить к разрывам металла. Эти локальные разрушения называются закалочными трещинами.

Распределение остаточных напряжений

Общая картина распределения остаточных напряжений, которые образуются в реальных стальных изделиях при их закалке на мартенсит, зависит от формы этих изделий. Рассмотрим для примера стальные образцы цилиндрической формы. В ходе закалки поверхность изделия всегда охлаждается быстрее, чем ее центр. Поэтому поверхностные слои изделия первыми подвергаются мартенситному превращению и получают упрочнение. Вдобавок к этому упрочнению предел текучести металла также увеличивается со снижением температуры. Будет ли поверхность находиться в растяжении относительно центра цилиндрического стержня зависит от знака общего объемного изменения, которое произошло внутри стержня после того, как поверхность получила упрочнение. Если расширение этой области из-за мартенситного превращения является больше, чем термическое сокращение, то поверхность будет находиться в растянутом остаточном состоянии. Центр будет, sure, оставаться в состоянии сжатия и общая картина распределения остаточных напряжений будет такая, as it shown on the picture 1.

Picture 1 – Схема распределения тангенциальных остаточных напряжений в закаленном цилиндрическом стержны, когда центр находится в сжатом состоянии, а поверхностьв растянутом состоянии [2]

Обратная картина распределения остаточных напряжений, когда поверхность находится в сжатом состоянии, а центр – в растянутом состоянии, возникает, когда термическое сокращение центра стержня превышает расширение от мартенситного превращения. Какая картина из этих двух будет происходить на самом деле, зависит от скорости охлаждения поверхности и центра стержня. Это является функцией, как размера стержня, так и скорости охлаждения.

Когда произведение этих двух параметров велико (большой диаметр и быстро охлаждение), то поверхность уже упрочняется, а центр находится еще при высокой температуре. Величина термического сокращения в этом случае велика и она определяет знак объемного изменения в центральных областях стержня. In other words, термическое сокращение обычно превышает расширение от мартенситного превращения. Когда разница между скоростями охлаждения на поверхности и в центре является умеренной, центр находится при температуре только немного выше температуры поверхности, когда она упрочняется. Термическое сокращение в центральных областях, которое происходит вслед за упрочнением поверхности, поэтому является меньше, чем расширение из-за образования мартенсита.

Source:

  1. Physical Metallurgy Principles, Fourth Edition /Reza Abbaschian, Lara Abbaschian, Robert E. Reed-Hill – 2009