Введение. Известно, что закалка стали сопровождается объёмными изменениями [1], вызванными разностью удельных объёмов превращающихся фаз. Возникающие объёмные изменения [2] приводят к структурным напряжениям в стали [3]. Присутствие напряжений в закаленном изделии [4] сказывается отрицательно на сопротивлении хрупкому разрушению, что, например, обуславливает снижение безопасности при эксплуатации стальных конструкций [5].

Наложение постоянного магнитного поля в процессе фазового превращения оказывает влияние на кинетику перехода и образующиеся продукты превращения. В работах [6][7] приведены результаты исследований изменений в тонкой структуре и фазовом составе сталей при закалке в магнитном поле. При этом показано, что при воздействии магнитного поля происходит мультипликативное зарождение кристаллов мартенсита и увеличивается темп превращения, а также повышается температура Мн до Мд с образованием мартенсита напряжения в интервале сверхпластичности превращения [8][9]. Это приводит к увеличению объёмной доли ϰ-мартенсита вследствие ранней активизации отпускного этапа свежеобразованной α-фазы, снижению объёмной доли Аост. в инструментальных сталях, значительному утонению в мультиплетном профиле рентгеновского рефлекса {211}. Совокупность указанных обстоятельств приводит к изменениям в фазовом составе сталей, а также в структуре и свойствах продуктов превращения после закалки в магнитном поле.

Актуальной является разработка методов термической обработки (ТО), позволяющих снизить закалочные напряжения. Приведённые выше данные о перспективной технологии ТО с участием внешнего магнитного поля указывают на то, что структурные изменения, происходящие под действием магнитного поля в процессе закалочного превращения, могут сказываться на объёмном и напряжённом состоянии стали. Однако детального исследования влияния магнитного поля на изменения в напряженном состоянии закаленных сталей ранее не проводилось. В связи с вышесказанным целью настоящей работы является исследование объёмных изменений и структурных напряжений, возникающих от действия постоянным магнитным полем при закалке стали.

Материалы и методы. Исследования проводились на техническом железе и углеродистых сталях 35, 45, У8, У10, У12. Магнитные поля напряженностью H = 1,4 и 1,6 МА/м создавались в межполюсном зазоре электромагнита ФЛ-1 конструкции МГУ.

Объёмные изменения после обычной закалки и с наложением магнитного поля оценивались количественно путём измерения удельного объёма гидростатическим взвешиванием. На первом этапе образцы взвешивались в воздушной среде (PВ). Далее образцы, подвешенные на тонкую капроновую нить 8∅ ÷ 18мкм, взвешивались в дистиллированной воде (PЖ). Величина удельного объёма с учётом плотности дистиллированной воды δЖ и воздуха δВ определялась следующим выражением:

(1)

Результаты исследования. График, представленный на рис. 1, демонстрирует влияние магнитного поля на объёмные изменения при мартенситном превращении в углеродистых сталях, при этом за нулевую отметку принято значение удельного объёма, имеющее место при обычной закалке. Можно отметить, что знак изменения удельного объёма и его величина находятся в корреляции с температурой нагрева под закалку и содержанием углерода в стали.

На рис. 1, отображающем зависимость изменения удельного объёма от содержания углерода, можно отметить следующие отличительные особенности: нулевой объёмный эффект превращения в чистом железе и стали У10 при закалке от 800 °C, отличия по знаку в изменении объёмных эффектов в сталях с содержанием углерода 0 ÷ 1,0 и 1,0 ÷ 1,2 % C. При закалке с наложением магнитного поля в сталях с 0 ÷ 1,0 % C наблюдается уменьшение, а в сталях с 1,0 ÷ 1,2 % C — увеличение удельного объёма. Максимальная величина изменений в удельном объёме наблюдается при содержании 0,5 и 1,2 % углерода. С увеличением температуры закалки наблюдаются изменения в величинах эффектов от действия поля, а также смещение точки, имевшей нулевое объёмное изменение, к более низкоуглеродистым сталям.

Возникновению структурных напряжений в сплаве способствуют объёмные изменения в процессе фазовой трансформации, а также их неоднородность распределения по микрообъёмам [10][11]. Структурные напряжения могут быть вычислены по методике расчёта, представленной в работе [12], которая позволяет определить напряжения тангенциального, осевого и радиального направления в сплошном цилиндре, если принять, что в анализируемом сечении отсутствует температурный градиент. Действие магнитного поля при закалке на структурные напряжения можно оценить с помощью выражения для вычисления тангенциальной составляющей напряжений на поверхности:

(2)

где l — относительное значение структурной деформации на этапе превращения; E — модуль упругости; μ — коэффициент Пуассона.

При оценке l были использованы объёмные характеристики фаз и данные измерения удельных объёмов образцов такого малого размера, что можно пренебречь перепадом температуры между сердцевиной и поверхностью. Данные таблицы 1 показывают, что для случая обычной закалки структурные напряжения растут с концентрацией углерода в исходной фазе и с температурой закалки.

Результаты расчёта структурных напряжений, вызванных превращениями при часовом отпуске закаленных от 1 000 °C углеродистых сталей, приведены в таблице 2.

Обсуждение и заключение. Наблюдаемые на рис. 1 эффекты для сталей с низким и средним содержанием углерода обусловлены протеканием отпускных процессов непосредственно при закалочном охлаждении в магнитном поле, а для сталей с высоким содержанием углерода — увеличением объёмной доли α-фазы. Анализ результатов теоретических расчётов [1] показывает, что для стали 45 после закалки в магнитном поле изменение Δυ = –9 ∙ 10⁻⁵ см³/г вызвано снижением содержания на 0,04 ÷ 0,05 % С в мартенсите. Наблюдающееся для стали с содержанием углерода 1,2 % изменение Δυ = 22 ∙ 10⁻⁵ см³/г обусловлено увеличением объёмной доли α-фазы на 4–5 %, если принять, что содержание углерода в мартенсите при закалке в магнитном поле не изменяется по сравнению с обычной закалкой.

Сравнение данных графика на рис. 1 и результатов исследования тонкой структуры мартенсита обычной и магнитной закалки [6][7] позволяет прийти к выводу, что изменение объёмного эффекта, вызванное приростом под действием магнитного поля количества мартенситной фазы превалирует над изменением объёмного эффекта, обусловленного ее распадом в процессе закалочного охлаждения.

Эффект от действия поля проявляется в понижении структурных напряжений в сталях с низким и средним содержанием углерода и их повышении в сталях с высокой концентрацией углерода (данные таблицы 1). Например, после закалки в магнитном поле сталей с 0,45 % и 1,2 % C с температуры 1 000 °C уровень структурных напряжений в первом случае падает на 10 %, а во втором случае возрастает на 13 %. Сравнивая полученные результаты с данными рентгеноструктурных исследований [6][7], можно отметить, что знак и величина эффектов обусловлены концентрацией углерода в исходной γ-фазе. Характерно, что есть концентрации, для которых закалка в магнитном поле незначительно изменяет значения структурных напряжений. Объяснить указанные эффекты от действия магнитным полем для сталей с низким и средним содержанием углерода можно усилением отпускных процессов непосредственно при образовании мартенсита в процессе закалки, а для сталей с высоким содержанием углерода — увеличением объёмной доли мартенсита.

Формирование остаточных напряжений в процессе закалки стали [13][14] начинается, как известно, при Тупр — температуре перехода материала из пластичного состояния в упругое. Поэтому структурные напряжения, возникающие при закалке [15][16], складываются из напряжений, обусловленных изменением удельного объёма сплава при охлаждении от температуры Тупр до Мн. Расчёт последних по формуле (2) показывает, что при охлаждении сплава до температуры Мн на поверхности сплошного цилиндра возникают растягивающие напряжения, превосходящие для всех исследуемых сплавов предел текучести аустенита (200 МПа). В связи с этим после закалки напряжения на поверхности сплошного цилиндра будут меньше приведенных в таблице 1 на величину предела текучести аустенита.

По данным таблицы 2 видно, что при низких температурах отпуска уровень структурных напряжений после закалки в магнитном поле для среднеуглеродистой стали 45 ниже, а для стали У12 — выше, чем после закалки без поля. Действие магнитного поля во время отпуска несколько замедляет снижение остаточных напряжений в температурном интервале распада мартенсита.

Таким образом, величина структурных напряжений после термической обработки в магнитном поле при отсутствии температурного градиента по сечению в значительной мере определяется эффектами, полученными при закалке в магнитном поле. Усиление явлений распада мартенсита вызывает снижение, а увеличение полноты мартенситного превращения — повышение уровня структурных напряжений.