3. Прокаливаемость стали 40хн, 45хн, 50хн

Под прокаливаемостью понимают способность стали получить закаленный слой с мартенситной или троститно - мартенситной структурой и на определенную глубину.

За характеристику прокаливаемости принято считать критический диаметр D_k, т. е. наибольший диаметр цилиндра из данной стали, который получат в результате закалки полумартенситную структуру в центре образца.

Полумартенситная структура содержит 50 % мартенсита и 50 % троостита. В этом случае D_k обозначается D₅₀. Однако часто важно знать значение диаметра, где содержание мартенсита значительно выше: 95 % и 99,9 %. В этих случаях D_k обозначают D₉₅ и D₉₉. Вопрос о прокаливаемости возникает потому, что скорость охлаждения по сечению закаливаемой детали различная: она максимальная на поверхности, уменьшается в более глубоких от поверхности слоях и минимальная в центральной части детали (рис. 4).

Рис. 4. Схема изменения скорости охлаждения

по сечению цилиндра при закалке

Естественно, что твердость по сечению детали, не имеющей сквозную прокаливаемость, будет неодинаковая. После отпуска, когда можно выровнять твердость по сечению, ряд других свойств (особенно а_н и σ_т) в непрокалившихся участках сечения оказываются заведомо сниженными. На рис. 5 показаны схемы кривых изменения свойств по сечению у непрокалившего образца (а) и образца со сквозной прокаливаемостью (б) после отпуска.

Для машиностроительных деталей ответственного назначения, которые работают в жестких условиях нагружения (на разрыв и, особенно на удар), также для деталей типа пружин, рессор и подавляющего большинства инструментов требуется, чтобы после закалки структура по всему сечению состояла из 100 % мартенсита, что обеспечит однородную структуру после отпуска.

Для деталей машин, работающих в условиях менее жесткого нагружения (в основном на изгиб и кручение) в последнее время за критерий прокаливаемости принимается 100 % мартенсита на глубине 0,5 радиуса детали;

Таким образом для конструктора, выбирающего материал для детали, знание прокаливаемости (критического диаметра D_к) стали весьма важно.

Рис. 5. Схема изменения механических свойств по

сечению после закалки и отпуска на одинаковую

твердость: а – образец с неполной прокаливаемостью;

б – полностью прокалившийся образец

(прокалившаяся зона заштрихована)

Рассмотрим определение прокаливаемости методом торцевой закалки. При этом методе стандартный образец (1 = 100 мм и 0 = 25 мм) из исследуемой стали подвергается охлаждению струей воды только с торца. Естественно, что скорость охлаждения по удалению от торца будет уменьшаться (соответственно уменьшается и твердость).

3.1. Расчет определения прокаливаемости стали – 1 вариант

На рисунке 1 представлены полосы прокаливаемости, которые определяют расстояние от торца образца до полумартенситной зоны и мартенситной зоны. На рис. 6 приведена кривая, показывающая твердость полумартенситной структуры HRC_50м в зависимости от содержания углерода в стали.

Сталь 40ХН

Из рис. 6 определяем для стали 40ХН HRC_50m =40, HRC_99,9М=52 Отложив для полумартенсита по оси ординат на рисунке 1, а значения твердости HRC_50m = 40, получим, что расстояние до полумартеиситной зоны = 9 мм. А для мартенсита отложив по оси ординат на рисунке 1 значения твердости HRC_99,9m=52, а расстояние до мартенситой зоны =4.

Рис.6 Зависимость твердости полумартенситной

структуры HRC (50%М+50%Т) от

содержания углерода в стали

Для определения D₅₀ используем диаграмму на рис. 7. Отложим по оси абсцисс найденные расстояния и из полученных точек восстановим перпендикуляры до кривой «вода» и «масло». Из полученных точек пересечения проведем горизонтали до пересечения с осью ординат и найдем, что при закалке критический диаметр в воде D_k = 40 мм, при закалке в масле D_k = 20 мм. (см. рис.7). В ответственных деталях, работающих на разрыв и ударный изгиб, необходимо, чтобы по всему сечению при закалке образовалась мартенситная структура. В этом случае структуры, образующиеся при распаде мартенсита в процессе отпуска, имеют высокий комплекс механических свойств. Чтобы определить критические диаметры, для стали с содержанием 95 % M(D₉₅) и 99,9 % M(D₉₉,₉) можно воспользоваться графиком на рис. 8.

Рис. 7. Диаграмма для определения

критического диаметра D₅₀ стали

ускоренным методом

Рис. 8 График для определения

D₉₅ и D_{99, 9} по значению D₅₀

Из рис. 8 видно, что по значению D₅₀, т. е. критического диаметра с 50 % мартенсита и 50 % троостита, можно определить D₉₅ и D_99,9.

Критический диаметр в воде D₉₅=25, D_99,9=15, в масле D₉₅=15, D_99,9=10.

Сталь 45ХН

Из рис. 6 определяем для стали 45ХН HRC_50m =42, HRC_99,9М=55 Отложив для полумартенсита по оси ординат на рисунок 1, а значения твердости HRC_50m = 42, получим, что расстояние до полумартеиситной зоны = 18 мм. А для мартенсита отложив по оси ординат на рисунок 1 значения твердости HRC_99,9m=55, мы получим расстояние до мартенситой зоны =18.

Для определения D₅₀ используем диаграмму на рис. 7, определяем критический диаметр в воде D_k = 76 мм и в масле D_k = 42 (см. рис.7). Чтобы определить критические диаметры, для стали с содержанием 95 % M(D₉₅) и 99,9 % M(D₉₉,₉) можно воспользоваться графиком на рис. 8. Из графика мы узнаем D₉₅=52, D_99,9=30 для воды, и для масла D₉₅=30, D_99,9=20.

Сталь50ХН

Из рис. 6 определяем для стали 50ХН HRC_50m =43, HRC_99,9М=57 Отложив для полумартенсита по оси ординат на рис. 5, а значения твердости HRC_50m = 43, получим, что расстояние до полумартеиситной зоны = 39 мм. А для мартенсита отложив по оси ординат на рис. 1 значения твердости HRC_99,9m=57, получим расстояние до мартенситой зоны =15 (рис. 1, 5).

Для определения критического диаметра D₅₀ используем диаграмму на рис. 7, критический диаметр в воде D_k = 120 мм и в масле D_k =80 (см. рис.7). Чтобы определить критические диаметры, для стали с содержанием 95 % M(D₉₅) и 99,9 % M(D₉₉,₉) можно воспользоваться графиком на рис. 8. Из графика мы узнаем D₉₅=82, D_99,9=51 для воды, и для масла D₉₅=55, D_99,9=35.

В таблице 4 приведены значение твердости в зависимости от содержания углерода, и как увеличивается расстояние от торца с понижением твердости.

В таблице 5 наглядно показаны критические диаметры для D50, D95, D99.5 в охладителях масле.

Таблица 4

Зависимость С % от HRC

Марка	Мартенсит			50 %М+50%Т
	HRC	C	Расстояние от торца, мм	НRС	С	Расстояние от торца, мм
40ХН	52	0,4	4	40	0,4	9
45ХН	55	0,45	8	42	0,45	18
50ХН	57	0,5	15	43	0,5	36

Таблица 5

Критический диаметр сталей марок 40ХН, 45ХН, 50ХН

Критический диаметр	Вид охладителя	Марка стали
		40ХН	45ХН	50ХН
D50	Вода	40	76	120
	Масло	20	42	80
D95	Вода	25	52	82
	Масло	15	30	55
D99,9	Вода	15	30	51
	Масло	10	20	35

Графики зависимости сталей твердости HRC от содержания С представлены на рисунке 9.

Рис. 9. Зависимость НRC от содержания углерода;

1- 40ХН, 2 - 45ХН, 3 - 50ХН