"Портрет трещины" - читать интересную книгу автора (Финкель Виктор Моисеевич)

НЕПРИЯТНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ

«-Немедленно прекратите стрельбу! – скомандовал военпред и резко склонился над орудием. Даже невооруженным глазом артиллерист заметил на стволе извилистую трещину… Все пять пушек после первых же выстрелов дали ствольные повреждения»!. Причина брака скорее всего была в неправильно проведенной термической обработке орудийных стволов.

Ранее мы говорили о вредном влиянии остаточных напряжений. Между тем они действуют на материал не «откровенно» и прямолинейно, но многими, часто завуалированными путями: например, в детали возникает одна или несколько трещин, ослабляющих конструкцию и способных расти под влиянием всех тех же остаточных напряжений. С опосредствованным участием остаточных напряжений в разрушении мы сталкиваемся довольно часто.

В связи с этим обратимся к термической обработке стали – технологическому процессу, применяемому при изготовлении почти любой ответственной детали механизмов и машин.

В основе большинства видов этого воздействия на сталь лежит структурное превращение аустенита в мартенсит. Аустенит представляет собой плотноупакованную систему атомов, расположенных в форме куба, в вершинах и центрах граней которого находятся атомы железа. В отличие от этого, в более твердом и хрупком мартенсите атомы, занимающие вершины и центр куба, менее уплотнены. В итоге объем, приходящийся на единицу массы в аустените, меньше, чем в мартенсите. Этот факт позволяет понять причины, приводящие к возникновению мощных напряжений при охлаждении стали с высоких температур, при которых она находится в виде аустенита, до низких, когда при достаточно быстром охлаждении она получает мартенситную структуру. Превращение аустенита в мартенсит идет неоднородно и неодновременно по сечению детали. Схематически процесс этог

1 Подкупили Г. В тылу все спокойно//Урал. 1974. № 8. С. 173.

представляется таким образомНаружные слои изделия приобретают мартенситное строение раньше внутренних, и металл на какой-то промежуток времени становится как бы двухслойным: снаружи мартенсит, внутри аустенит. Когда позднее по мере охлаждения внутренних слоев аустенит в них начнет превращаться в мартенсит и объем недр детали начнет расти, наружные слон мартенсита будут этому препятствовать. В итоге, наружные слои окажутся растянутыми, а внутренние – сжатыми. Это и есть внутренние напряжения. Таким образом, после термической обработки мы получили высокую твердость металла, но использовать ее затруднительно из-за огромной напряженности изделия, и, следовательно, возможного в любой момент разрушения.

Подобные же процессы, но в ином масштабе могут протекать при неоднородном распределении химических элементов по сечению изделия. Например, в условиях так называемой химико-термической обработки, заключающейся в насыщении поверхности металла каким-нибудь другим элементом. При этом в области высоких температур формируется аустенит иного химического состава, с иными скоростями и особенностями превращения в мартенсит.

На эти явления налагаются и внутренние напряжения, имеющие собственно термическое происхождение и образующиеся из-за неодинакового расширения и сжатия различных структурных составляющих при охлаждении и нагревании обрабатываемой детали.

Так или иначе, но термическая обработка стали генерирует довольно мощные напряжения, имеющие зачастую пространственный характер и приводящие к появлению в металле разнообразных трещин. Иногда это одинокие и глубокие трещины в изделиях сложной конфигурации, например во фрезах: иногда внутренние дугообразные разрывы, встречающиеся например, в цементированных сталях, то есть сталях, поверхность которых насыщена углеродом. Встречаются и другие виды разрушений – в форме, скажем, множества мельчайших трещин, покрывающих всю поверхность детали.

Чего уж хорошего, если в ответственной детали сто трещин. Ведь мы знаем: достаточно даже одной! Потому, что невозможно предсказать, как такая деталь по-

1 Малинкина Е. И. Образование трещин при термической обра» ботке стальных деталей. – М.: Машиностроение, 1965. С. 13-17.

ведет себя в напряженном рабочем состоянии. Поскольку дальновиднее предусмотреть худшее, можно ожидать разрушения за счет роста какой-то одной трещины, оказавшейся в наиболее «выгодном» положении. И тогда окажется справедливой печальная шутка, согласно которой у жертвы было обнаружено четыре раны: две из них смертельные, а две другие, к счастью, нет. Одним словом, трещины, возникающие при термической обработке, вредны и опасны.

Но, кроме того, существует ряд побочных причин, увеличивающих тревогу за обработанную деталь. Например, может оказаться, что величина приводящих к разрушению напряжений (создаваемых внешним или внутренним усилием) зависит от времени и убывает с его течением. В результате при длительном воздействии нагрузки прочность стали снижается в несколько раз. В некоторых сталях, в частности быстрорежущих, появление поверхностных трещин провоцируется так называемым обезуглероженным слоем, то есть поверхностной пленкой металла, из которой по тем или иным причинам «ушел» углерод. Стали, подвергаемые термической обработке, очень чувствительны к любым концентраторам напряжений (различным надрезам) на их поверхности и внутри материала. Это и понятно. Такой концентратор создает свое упругое (силовое) поле, суммирующееся с остаточными напряжениями и ведущее к преждевременному разрушению. Не последнюю роль играют и разнообразные избыточные фазы в стали, особенно расположенные по границам зерен. Часто они играют решающую роль в образовании трещин после закалки. Словом, серьезных причин много. Но бывают и несерьезные, приводящие тем не менее к серьезным последствиям.

Термическая обработка, в частности закалка стали, повышает ее механические свойства и поэтому совершенно необходима машиностроению. Но вместе с тем она вводит в металл трещины, смертельно опасные для конструкции. К счастью, есть многочисленные методы, позволяющие исключить появление трещин и сохранить тем самым преимущества, которые дает термическая обработка металла. Методы эти не всегда просты, но…

Одна закона грубая скрижаль равна для человека и металла: нужна борьба, чтоб сталью стала сталь…

(Я- Белинский)

Вы, вероятно, помните, что так называемые внутренние напряжения и есть ложка дегтя, которая портит бочку меда при термической обработке стали. Именно они и ведут к появлению трещин. Следовательно, первейшей задачей является гашение напряженного состояния детали. Сделать это можно несколькими путями. Вот один из них. Помимо структурных напряжений, возникают и другие- термические. Они появляются при более высоких температурах, когда металл еще очень пластичен, а фазовые переходы еще не начались. Очевидно, при достаточно высокой скорости охлаждения эти напряжения могут привести к пластической деформации детали и разрядиться, то есть стать не опасными.

Со структурными остаточными напряжениями, как правило, дело обстоит наоборот – быстрое охлаждение при довольно низких температурах вызывает лишь многие трещины. Поэтому целесообразно при температурах ниже начала перехода аустенита в мартенсит вести охлаждение бережно и очень медленно. Такое «нежное» обращение со сталью осуществляют зачастую, закаливая ее не в воде, а в масле, где она «остывает» с меньшей скоростью. Ясно, что во всех случаях внутренние напряжения будут определяться той исходной температурой, с которой начинается закалка. Поэтому рекомендуется эту температуру выбирать максимально низкой.

Надежным методом снятия внутренних напряжений является отпуск, то есть повторный нагрев после закалки, во время которого металл и его структурные компоненты несколько лучше приспосабливаются друг к другу. Что-то вроде встряхивания пассажиров в переполненном троллейбусе: все кое-как разместились, «притерлись» и едут в тесноте, да не в обиде.

На языке термической обработки это означает, что термическое «встряхивание» структурных элементов ведет к снятию внутренних напряжений.

Когда-то Александр Грин сказал, что действительность большей частью завязывает и развязывает узлы в длительном темпе. Закалка не такова – за ничтожные секунды проходит фазовый переход, возникают мощные остаточные напряжения, трещины и следует неизбежное разрушение. Поэтому важно не затягивать с проведением отпуска, помня, что с течением времени прочность напряженной детали падает. Поэтому отпуск и осуществляют немедленно после закалки.