Закалка: Повышение прочности стали с помощью термической обработки

Определение и основные понятия

Закалка — это термическая обработка, применяемая к ферросодержащим сплавам для повышения их твердости и прочности путём преобразования микроструктуры через контролируемый нагрев и охлаждение. Процесс включает нагрев стали выше её критической точки трансформации, выдержку при этой температуре для получения полного или частичного аустенитирования, за которым следует быстрое охлаждение (закалка) с достаточной скоростью для образования Martensite или Bainite. Это преобразование кардинально изменяет механические свойства материала, значительно увеличивая твердость, предел текучести и износостойкость.

В широком контексте металлургии закалка представляет собой один из важнейших процессов термической обработки, позволяющий стали достигать своей высокой универсальности как инженерного материала. Она служит основой для многочисленных промышленных применений, где требуются высокая прочность, износостойкость и долговечность. Возможность закаливать сталь с помощью относительно простых тепловых процессов была важной отправной точкой технологического прогресса со времён Железного века, делая ее краеугольным понятием в материаловедении.

Физическая природа и теоретические основы

Механизм физический

На микроструктурном уровне закалка включает в себя твердотельное фазовое преобразование, при котором FACE-Centered Cubic (FCC) аустенит превращается в Body-Centered Tetragonal (BCT) martensite. Во время быстрого охлаждения атомы углерода задерживаются внутри решётки железа, вызывая искажения и препятствуя образованию равновесной структуры ferrite с кубической решёткой по центру (BCC). Эти искажения создают множество дислокаций и внутренние напряжения, тормозящие дальнейшее движение дислокаций.

Мартенситное преобразование происходит посредством диффузионного, сдвигового механизма, при котором согласованные атомные перемещения создают новую кристаллическую структуру без необходимости долгосрочной диффузии. Это преобразование даёт характерные лепестковые или пластинчатые морфологии, зависящие от содержания углерода. В результате микроструктура содержит высокую плотность дислокаций и мелкие кристаллы, эффективно блокирующие движение дислокаций и повышающие твердость и прочность.

Теоретические модели

Основной теоретической моделью, описывающей закалку стали, является диаграмма Времени-Температуры-Преобразования (TTT), отображающая зависимость между температурой, временем и эволюцией микроструктуры при изотермических преобразованиях. Позже она была дополнена диаграммой Непрерывного охлаждения (CCT), которая лучше отражает промышленные процессы закалки.

Понимание процесса закалки значительно развилось от эмпирических знаний кузнеца к научной теории в начале XX века. Исследования Бейна и Давенпорта в 1930-х годах создали первые комплексные диаграммы TTT, а последующие работы Койстінена и Марбургера разработали количественные модели кинетики превращения мартенсита.

Современные подходы используют вычислительную термодинамику с помощью методов CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) и моделирование фазовых полей для более точного прогнозирования микроструктурных изменений в процессе закалки.

Материаловедческая база

Закалка в основном связана с преобразованиями кристаллических структур, при которых FCC-аустенит превращается в BCT-матрненит. Это преобразование создает сильно напряжённую решётку с множеством дислокаций, усиливающих материал за счёт механизма упрочнения за счет деформации. Высокая плотность дислокаций эффективно закрепляет существующие дислокации, требуя больших напряжений для начала пластической деформации.

Эффективность закалки в критической мере зависит от размера зерен и границ зерен аустенита. Мелкое зерно аустенита обычно приводит к более мелким пакетам и блокам мартенсита, повышая прочность за счет механизма твердости границ зерен, описанного законом Холла-Пэтча.

Закалка представляет собой пример нескольких основных принципов материаловедения, включая фазовые превращения, кинетику диффузии и соотношения структура-свойства. Процесс демонстрирует, как контролируемое управление микроструктурой может радикально менять макроскопические механические свойства, показывая фундаментальную связь между атомной структурой и инженерными характеристиками.

Математические выражения и методы расчетов

Базовая формула определения

Твердосят, достигнутая с помощью закалки, можно оценить с помощью уравнения Maynier для твердости мартенсита:

$$HV_M = 127 + 949C + 27Si + 11Mn + 8Ni + 16Cr + 21\log(V_r)$$

Где:
- $HV_M$ — твердость по Виккерам мартенсита
- $C, Si, Mn, Ni, Cr$ — массовые доли этих элементов
- $V_r$ — скорость охлаждения при 700°C в °C/ч

Связанные формулы для расчетов

Объёмная доля образующегося при закалке мартенсита может рассчитываться по уравнению Койстинена-Марбурего:

$$f_m = 1 - \exp[-b(M_s - T)]$$

Где:
- $f_m$ — объёмная доля мартенсита
- $b$ — материалная константа (обычно 0.011 К⁻¹ для многих сталей)
- $M_s$ — температура начала образования мартенсита в Кельвинах
- $T$ — температура закалки в Кельвинах

Температура начала образования мартенсита может быть оценена по линейному уравнению Андрюса:

$$M_s(°C) = 539 - 423C - 30.4Mn - 12.1Cr - 17.7Ni - 7.5Mo$$

Где элементы указывают их массовые доли в стали.

Применимые условия и ограничения

Эти формулы обычно применимы к сталям с низким и средним содержанием углерода (0.1-0.6 мас.% C) с типичным содержанием легирующих элементов. Уравнение Maynier менее точно для сильно легированных сталей или содержащих сильные карбидообразующие элементы, такие как ванадий или вольфрам.

Уравнение Койстинена-Марбурего предполагает идеальные условия закалки и становится менее точным при значительном образовании бенита во время охлаждения. Оно также не учитывает механизмы стабилизации удерживаемого аустенита за пределами простых температурных эффектов.

Эти модели предполагают однородный состав аустенита перед закалкой и не учитывают микроингеграцию, которая может значительно влиять на локальную закаливаемость в отлитых или сильно сегрегированных материалах.

Методы измерения и характеристика

Стандартные методы испытаний

• ASTM E18: Стандарты методов испытания твердости по Роквелля металлических материалов
• ASTM E92: Стандарты методов испытания твердости по Виккерам металлических материалов
• ASTM E384: Стандартный метод испытания микротвердости материалов
• ISO 6508: Металлические материалы — тест на твердость по Роквеллю
• ISO 6507: Металлические материалы — тест на твердость по Виккерам

ASTM E18 и ISO 6508 покрывают тестирование макротвердости по методу Роквелля, в то время как ASTM E92 и ISO 6507 описывают процедуры тестирования по Виккерам, что особенно удобно для закалённых сталей благодаря более широкому диапазону измерений.

Оборудование и принципы испытаний

Испытания твердости закалённых сталей обычно используют методы механического вдавливания с применением специализированных тестеров. Тестеры по Роквеллю создают заданную силу через алмазный конус или закалённый стальной шарик, измеряя глубину проникновения для определения твердости.

Микротвердомеры по Викиеру и Нуппу используют алмазные пирамидальные индентеры и измеряют диагональные размеры отпечатка под микроскопом. Эти методы позволяют точно картировать твердость по микроструктурам.

Расширенное характеристикование может включать системы нанотвердости, обеспечивающие непрерывные данные о нагрузке и смещении во время вдавливания, что позволяет определять модуль упругости и твердость на наноуровне.

Требования к образцам

Стандартные образцы для определения твердости должны иметь плоские параллельные поверхности с шероховатостью поверхности обычно менее 0,8 μм Ra. Минимальная толщина должна быть как минимум в 10 раз больше глубины вдавливания, чтобы избежать влияния подложки.

Подготовка поверхности включает шлифовку с использованием все более мелких абразивов, затем полировку для получения зеркальной поверхности, особенно для тестирования микротвердости. Любой слой декарбюрации должен быть удалён для получения точных показаний истинной структуры закалки.

Образцы должны быть свободны от смазок, окалины или инородных веществ и представлять критические участки компонента. Для компонентов с полной закалкой тестирование обычно выполняется на поперечных срезах.

Параметры испытаний

Стандартные испытания проводят при комнатной температуре (23±5°C) в условиях контролируемой влажности, чтобы предотвратить влияние окисления поверхности. Для специальных условий возможно проведение испытаний при повышенной температуре.

Скорость приложения нагрузки стандартизирована (обычно 2-8 секунд), чтобы обеспечить повторяемость. Время удержания под максимальной нагрузкой обычно составляет 10-15 секунд.

Места испытаний должны поддерживать минимальные расстояния между вдавливаниями (обычно 3-5 диаметров) и от краев образца (обычно 2.5 диаметра).

Обработка данных

Измерения твердости обычно осуществляют по нескольким точкам (минимум 5) для учета неоднородности микроструктуры. Статистический анализ включает вычисление среднего значения, стандартного отклонения и доверительных интервалов.

Для компонентов с закалкой по поверхности данные о глубине закалки строятся по графику зависимости твердости от глубины до определённого уровня, например, где твердость равна 550 HV или 50 HRC.

Преобразование значений между различными шкалами твердости (Роквелл, Виккер, Бринелль) выполняется по стандартным таблицам преобразования ASTM E140 или ISO 18265, хотя эти преобразования имеют внутренние ограничения по точности.

Типичные диапазоны значений

Классификация стали	Типичный диапазон	Условия испытания	Спецификация
Сталь с низким содержанием углерода (1018, 1020)	20-30 HRC	Закалка маслом с 870°C	ASTM A370
Сталь со средним содержанием углерода (1045, 1050)	50-60 HRC	Закалка водой с 845°C	ASTM A370
Инструментальная сталь (D2, A2)	58-65 HRC	Закалка маслом с 1010°C	ASTM A681
Сталь подшипниковая (52100)	60-67 HRC	Закалка маслом с 845°C	ASTM A295

Вариации в пределах каждого класса стали в основном обусловлены различиями в содержании углерода, легирующих элементах и размере сечения. Более высокий уровень углерода обычно обеспечивает более высокую максимальную твердость, а легирующие элементы в основном влияют на закаливаемость (глубину закалки).

Эти значения представляют собой максимальную достижимую твердость после правильной закалки. Фактическая твердость изделия может быть ниже из-за недостаточной скорости охлаждения в толстых сечениях или после закалки с последующим отпуском для повышения ударной вязкости за счёт некоторого снижения твердости.

Общая тенденция показывает, что максимальная достижимая твердость возрастает с содержанием углерода до примерно 0,6%, после чего дополнительный углерод больше способствует образованию карбидов, нежели дальнейшему увеличению матричной твердости.

Анализ инженерных применений

Конструкторские соображения

Инженеры обычно указывают диапазоны твердости, а не точные значения, с учетом погрешностей измерений и типичных колебаний процесса. Зачастую для критических по твердости применений указывают минимальное значение твердости на 2-5 HRC выше требуемого для обеспечения запаса прочности.

При выборе материалов баланс между требованиями к твердости и вязкостью, технологичностью и стоимостью играет важную роль. Стали с полной закалкой выбирают при необходимости однородных свойств по всему сечению, а закалённые поверхности — при необходимости твёрдого ядра с прочной поверхностью.

Проектировщики должны учитывать изменения размеров при закалке, которые в среднем составляют 0,1-0,3% линейного расширения для компонент с полной закалкой. Ключевые размеры часто обрабатываются после термической обработки, чтобы учесть эти изменения.

Ключевые области применения

В автомобильной промышленности закалённые стали используются для элементов трансмиссии, таких как шестерни, валы и подшипники, где требуются высокая контактная нагрузка и износостойкость. Твёрдость поверхности обычно превышает 58 HRC, а для обеспечения достаточной глубины закалки требуют определенного уровня глубины.

Промышленные инструменты широко используют закалённые стали для режущих инструментов, штампов и форм. Эти применения требуют экстремальной твёрдости (60-65 HRC) в сочетании с хорошей вязкостью, чтобы противостоять отскоку и расколу при ударных нагрузках.

Инфраструктурные компоненты, такие как рельсы и части тяжелой техники, используют закалённые стали для сопротивления сильному износу и ударным нагрузкам. Для этих целей применяют специальные составы и обработки для достижения оптимального баланса твердости, вязкости и защиты от внешних воздействий.

Тактические соображения

Обычно в закалённых сталях существует противоположное соотношение между твердостью и вязкостью. Повышение твердости обычно ведет к снижению ударной вязкости и сопротивляемости трещинам, поэтому необходимо балансировать эти параметры в зависимости от условий эксплуатации.

Обработка на станках существенно ухудшается с ростом твердости. Детали, подлежащие механической обработке, обычно сначала подвергаются отожжению, а затем закалке, либо проходят термоупрочнение до промежуточных уровней твердости, позволяющих выполнить необходимые операции.

Проектировщики должны балансировать износостойкость и усталостную прочность. Хотя высокая твердость улучшает износостойкость, чрезмерная твердость может снизить сопротивляемость усталости из-за повышенной чувствительности к резким изменениям напряжений и сниженной способности перераспределять нагрузки.

Анализ отказов

Расслоение вследствие закалки — распространенный механизм отказа деталей, возникающий при превышении тепловых или преобразовательных напряжений, которые превышают предел прочности материала. Такие трещины обычно следуют по границам зерен аустенита и начинаются в острых углах или местах переходов сечения.

Недостаточная глубина закалки может привести к внутренним усталостным повреждениям, особенно в катящихся контактных узлах. Механизм разрушения связан с образованием трещин ниже закаленного слоя, где максимальны сдвиговые напряжения, а прочность ниже.

Эти риски можно уменьшить за счет правильного выбора стали, проектирования компонентов с постепенными переходами сечений, использования контрольных процессов закалки и последующего отпуска для снятия остаточных напряжений без снижения необходимой твердости.

Факторы влияния и методы контроля

Влияние химического состава

Содержание углерода — главный фактор, определяющий максимальную твердость, достигаемую у около 0,6%. Более высокое содержание увеличивает износостойкость за счет повышения объема карбидов, но может снизить вязкость.

Хром, молибден и марганец значительно усиливают закаливаемость за счет замедления образования перлита и бенита, что позволяет формировать мартенсит при менее жестких условиях охлаждения, что особенно важно для больших сечений или менее агрессивных охлаждающих сред.

Следовые элементы, такие как бор (30-90 ppm), существенно повышают закаливаемость при минимальном воздействии на другие свойства, в то время как фосфор и сера обычно снижают закаливаемость и могут способствовать расслоению при сегрегации по границам зерен.

Микроструктурное воздействие

Размер зерен аустенита существенно влияет на закаливаемость: мелкое зерно обеспечивает более мелкое образование мартенсита, повышая вязкость и устойчивость, однако чрезмерно мелкое зерно увеличивает площадь границ и может ухудшать закаливаемость за счёт повышения вероятности нуклеации немартенситных продуктов.

Распределение фаз перед закалкой влияет на итоговые свойства. Однородное распределение карбидов способствует равномерному распределению углерода в аустените, что обеспечивает более стабильную твердость после закалки.

Некоторые включения, такие как неметаллические примеси, выступают в качестве концентраторов напряжений и могут инициировать трещины закалки. Они также создают локальные мягкие зоны в структуре, которые могут стать точками отказа при эксплуатации.

Обработка и технологический режим

Температура и время аустенитизации контролируют количество растворенного углерода. Более высокая температура увеличивает растворимость, но способствует росту зерен, а длительная обработка обеспечивает гомогенизацию, риск вызывает декарбурацию в неподдерживаемой атмосфере.

Выбор закалочного medium значительно влияет на скорость охлаждения и характеристики твердости. Вода обеспечивает наиболее быстрый охлад, но вызывает большие деформации, масла — умеренную скорость и меньше деформаций, полимерные и соляные ванны обеспечивают промежуточные значения и лучше контролируются.

Равномерность охлаждения важна для минимизации деформаций и трещин. Аэрация, правильная ориентация деталей и проектирование приспособлений способствуют равномерному охлаждению конструкций.

Экологические факторы

Рабочая температура значительно влияет на характеристики закаленной стали: выше 150°C начинают заметно снижаться твердость и значение, при 400°C и выше происходит разрушение мартенсита с образованием феррита и карбидов.

Коррозионные среды способствуют ускорению отказов через механизмы водородной хрупкости, особенно в высокотвердных сталях (выше 50 HRC). Этот эффект усугубляется при статической нагрузке.

Со временем мягкость может развиваться даже при умеренных температурах из-за процессов термического старения, что важно в инструментообрабатывающих применениях с циклическим нагревом.

Методы повышения

Контролируемое цементацию или нитроцементацию перед закалкой позволяют создавать оптимальные градиенты углерода/азота, повышая твердость поверхности и сохраняя вязкость ядра. Эти процессы особенно полезны для деталей, подверженных контактной усталости и износу.

Двойная или тройная отпускная обработка существенно улучшает вязкость при сохранении приемлемой твердости. Особенно эффективно для высокоуглеродистых и жоғары легированных сталей, где важно управлять оставшимся аустенитом.

Криогенная обработка после закалки способствует обеспечению стабильности твердости за счет превращения оставшегося аустенита в мартенсит. Такой метод применяется в точных инструментах, подшипниках и компонентах, где важна стабильность размеров.