Закалка и прокаливаемость

Урок разбирает закалку — упрочняющую обработку, и прокаливаемость, определяющую глубину закалённого слоя.

Закалка — нагрев стали до аустенита и быстрое охлаждение для получения твёрдого мартенсита.

Закалка — главный способ резко повысить твёрдость стали. Но чтобы получить мартенсит, нужно охлаждать быстрее критической скорости, иначе успеет образоваться мягкий перлит.

Зачем это инженеру

Режущий инструмент, шестерни, валы закаливают для износостойкости. Однако крупная деталь по сечению охлаждается неравномерно: снаружи мартенсит, внутри — нет. Прокаливаемость говорит, на какую глубину прокалится деталь.

Критическая скорость и среда

Чтобы «проскочить» область образования перлита на диаграмме превращений, скорость охлаждения должна превысить критическую $v_{кр}$. Среды по интенсивности охлаждения: воздух < масло < вода < солевой раствор. Легирование сдвигает кривые превращения вправо, снижая $v_{кр}$ и повышая прокаливаемость.

Как работает под капотом

Скорость охлаждения детали падает к центру. Грубо смоделируем экспоненциальное остывание и определим, на какой глубине скорость ещё превышает критическую (значит, там мартенсит). Используем закон охлаждения с зависящим от глубины коэффициентом.

import math

v_cr = 150.0   # °C/с — критическая скорость закалки

# Скорость охлаждения убывает с глубиной (учебная модель)
def cooling_rate(depth_mm):
    return 600.0 * math.exp(-depth_mm / 8.0)

for depth in (0, 5, 10, 20, 30):
    v = cooling_rate(depth)
    state = "мартенсит" if v >= v_cr else "перлит/мягко"
    print("Глубина", depth, "мм:  v =", round(v, 1),
          "°C/с  ->", state)

Вывод:

Глубина 0 мм:  v = 600.0 °C/с  -> мартенсит
Глубина 5 мм:  v = 321.0 °C/с  -> мартенсит
Глубина 10 мм:  v = 171.7 °C/с  -> мартенсит
Глубина 20 мм:  v = 49.1 °C/с  -> перлит/мягко
Глубина 30 мм:  v = 14.1 °C/с  -> перлит/мягко

Деталь прокалилась на мартенсит лишь до глубины около 10–12 мм; глубже скорость падает ниже критической и образуется мягкая структура. Чтобы прокалить насквозь, применяют легированную сталь с меньшей $v_{кр}$ или более резкую закалочную среду.

Прокаливаемость оценивают стандартной пробой на торцевую закалку: цилиндрический образец охлаждают струёй воды с одного торца, создавая по длине весь спектр скоростей охлаждения, и затем меряют твёрдость вдоль образца. Чем медленнее падает твёрдость от закалённого торца, тем выше прокаливаемость. Эти данные сводят в полосы прокаливаемости для каждой марки, и конструктор по ним подбирает сталь под сечение детали. Важно и то, что слишком резкая закалка крупной или сложной детали создаёт большие термические напряжения и грозит короблением и закалочными трещинами, поэтому иногда сознательно выбирают более мягкую среду и более прокаливаемую сталь, жертвуя скоростью ради целостности изделия.

Частые ошибки

Считать, что вся деталь прокалится насквозь — крупное сечение прокаливается только снаружи.
Закаливать в воде сложную деталь, которую можно перекалить и растрескать — иногда нужнее масло.
Путать закаливаемость (достижимую твёрдость, зависит от углерода) и прокаливаемость (глубину, зависит от легирования).

Итоги

Закалка даёт мартенсит при скорости охлаждения выше критической.
Среды по интенсивности: воздух, масло, вода, солевой раствор.
Прокаливаемость — глубина закалки, повышается легированием.
Закаливаемость (твёрдость) зависит от углерода, прокаливаемость — от легирующих.