Внутренние напряжения при термообработке
При термической обработке вследствие неравномерности охлаждения по сечению изделий возникают термические и структурные напряжения первого рода. Напряжения, возникающие вследствие неодновременного теплового сжатия, называют тепловыми, напряжения, возникающие вследствие неодновременного превращения аустенита по объему стали и, следовательно, неравномерности расширения - структурными. Вследствие различной скорости охлаждения по сечению изделия возникает температурный градиент, значение которого тем больше, чем с большей скоростью производится охлаждение. В начальный период охлаждения температура на поверхности металла снижается с большей скоростью, чем в центре (рис. 14.18). В конце охлаждения скорость понижения температуры в центре больше, чем на поверхности. В результате этого градиент температур между центром и поверхностью сначала увеличивается, а затем уменьшается.
Рис. 14.18. Кривые изменения во времени температуры на поверхности (I) и в центре (2) детали и разности температур (3)
Градиент температур зависит от скорости охлаждения, размера изделия, начальной температуры изделия, температуропроводности. Он вызывает различное по времени сжатие наружных и внутренних слоев металла, в результате чего возникают тепловые напряжения и деформация (рис. 14.19). При повышенных температурах внешние слои пластически растянуты по отношению ко внутренним, т е. в периферийных слоях возникают растягивающие напряжения, а во внутренних - сжимающие. В процессе охлаждения знак напряжении меняется, и после полного охлаждения внешние слои находятся под действием сжимающих, а внутренние - под действием растягивающих напряжений.
При наличии структурных превращений изменение знака и величины напряжений приведено на рис. 14.20.
Рис. 14.19. Кривые распределения термических напряжений по сечению во время охлаждения: 1 поверхность; 2 - промежуточная зона; 3 - сердцевина
Виды напряжений
Напряжения, возникающие в процессе охлаждения, называются временными, напряжения, возникающие после полного охлаждения - остаточными.
Величина, знак временных и остаточных напряжений зависят от скорости охлаждения в интервале мартенситного превращения, температуры нагрева под закалку, разницы в объемах исходной (аустенита) структуры и продуктов ее распада, прокаливаемости стали.
Рис. 14.22. Диаграммы максимальных остаточных напряжений в цилиндрах из стали с 0,3% С (закалка с 850° С) от охлаждающей среды с температуры отпуска 650° С напряжения: 1 - осевые, 2 - окружные, 3 - радиальные
Отпуск стали
Отпуск закаленной стали приводит к снижению внутренних напряжений первого и второго рода; чем выше температура отпуска, тем меньше величина остаточных напряжений первого рода (рис. 14.21). Почти полное устранение их достигается при температуре выше 550° С. Большое значение для снижения напряжений имеет выдержка при температуре. Наиболее существенно напряжение снижается при выдержке около 2 ч, дальнейшее увеличение выдержки влияет незначительно. Величина остаточных внутренних напряжений зависит от скорости охлаждения с температуры отпуска (рис. 14.22). При медленном охлаждении они остаются такими же, как и при температуре отпуска. При быстром охлаждении заново возникают термические напряжения первого рода.
