Прокаливаемость стали

 
 
 
 
 
А. В. Рябов, И. В. Чуманов 
 
 
 
 
 
ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛИ  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Допущено Федеральным Учебно-методическим объединением по укрупненной 
группе специальностей и направлений 22.00.00 «Технологии материалов» 
в качестве учебного пособия при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся 
по направлениям 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия» соответственно 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 669.01/.09  
ББК 34.3 
Р98 
 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор кафедры литейных процессов 
и материаловедения Магнитогорского государственного 
технического университета им. Г. И. Носова  
Емелюшин Алексей Николаевич; 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрами 
«Машины и технология литейного производства» Куйбышевского 
политехнического института и «Литейные и высокоэффективные 
технологии» Самарского государственного технического 
университета  Никитин Владимир Иванович 
 
 
 
 
 
Рябов, А. В. 
Р98  
Прокаливаемость стали : учебное пособие / А. В. Рябов, И. В. Чуманов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 176 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1958-1 
 
Содержит теоретический материал по основам прокаливаемости, методы ее определения, лабораторные работы, задачи для самостоятельной работы студентов, справочный материал (диаграммы распада аустенита, полосы прокаливаемости и т. д.) и 
словарь терминов на нескольких языках. 
Для студентов (бакалавров и магистров) направлений подготовки 22.03.01 «Материаловедение и технология материалов», 22.04.02, 22.03.02 «Металлургия» очной и 
заочной форм обучения. 
 
УДК 669.01/.09  
ББК 34.3 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1958-1 
© Рябов А. В., Чуманов И. В., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
 

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ 
В общем случае прокаливаемость можно определить как способность стали 
приобретать твердость после аустенизации и закалки. Это общее определение 
содержит в себе 2 подопределения: 
1) способность достигать определенного уровня твердости; 
2) распределение твердости в пределах поперечного сечения. 
Способность достигать определенного уровня твердости связана с максимально достижимой твердостью. Прежде всего это зависит от содержания углерода в стали и в особенности от количества углерода, растворенного в аустените после аустенизационной обработки, так как только это количество углерода 
принимает участие в аустенитно-мартенситном превращении и имеет существенное влияние на твердость мартенсита. 
На рис. 1 показана приближенная зависимость твердости структуры от содержания углерода в ней для разного процентного содержания мартенсита. 
 
Рис. 1. Приближенная  
зависимость твердости (HRC) 
от содержания углерода  
для разного процентного  
содержания мартенсита 
 
 
Распределение твердости в пределах поперечного сечения связано с изменением твердости от поверхности конкретного поперечного сечения к сердцевине после закалки при определенных условиях. Это зависит от содержания углерода и количества легирующих элементов, растворенных в аустените во время аустенизационной обработки. Также на это может повлиять размер зерен 
аустенита. На рис. 2 показано распределение твердости в поперечном сечении 
заготовок диаметром 100 мм после закалки трех разных марок стали. 
 
3

Несмотря на то, что закалка стали марки W1 осуществляется в воде (то есть 
с большей скоростью закалки), а две другие закаливаются в масле, сталь марки 
W1 имеет наименьшую прокаливаемость, вследствие отсутствия в ней легирующих элементов. 
Наивысшей прокаливаемостью в этом случае обладает сталь марки D2, которая содержит наибольшее количество легирующих элементов.  
 
 
 
Рис. 2. Распределение твердости в поперечном сечении заготовок  
диаметром 100 мм после закалки трех разных марок стали 
 
Когда сталь имеет высокую прокаливаемость, твердость будет распределена 
по всему сечению массивного изделия (как сталь марки D2 на рис. 2), даже если 
закалка проходит с меньшей скоростью (масло). Когда сталь имеет низкую 
прокаливаемость, ее твердость нижележащих слоев быстро уменьшается (как 
W1 на рис. 2), даже если закалка осуществляется с большей скоростью (вода). 
Согласно такой способности достигать определенного уровня твердости, 
поверхностно-прокаливаемые высокоуглеродистые стали имеют более высокую максимальную твердость, чем легированные стали высокой прокаливаемости, которые в то же время имеют намного более низкие значения твердости 
поперечного сечения. 
Лучше всего это можно проанализировать при использовании кривых Джомини (см. раздел 3.2). 
Прокаливаемость – это неотъемлемое качество стали, тогда как распределение твердости после закалки (глубина закалки) – это состояние, которое зависит от многих других факторов. 
 
 
 
4

2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ГЛУБИНУ ЗАКАЛКИ 
Под глубиной закалки обычно понимают расстояние от поверхности образца, в котором достигнут определенный уровень твердости (например, 50 HRC) 
после закалки. 
Иногда глубину закалки определяют как расстояние от поверхности, в котором содержание мартенсита достигло определенного минимального процентного содержания. 
Вследствие аустенитно-мартенситного превращения глубина закалки зависит от следующих факторов: 
1) формы и размера поперечного сечения; 
2) закаливаемости материала; 
3) условий закалки. 
Условия закалки включают не только особую закалочную среду с ее химическими и физическими свойствами, а также важные параметры процесса, такие как температура ванны и интенсивность перемешивания. 
Форма сечения имеет особое влияние на отвод тепла во время закалки и, 
вследствие, на конечную глубину закалки. Заготовки прямоугольного поперечного сечения всегда имеют наименьшую глубину закалки, чем круглые образцы 
того же размера поперечного сечения. На рис. 3 показана диаграмма, позволяющая переводить квадратные и прямоугольные сечения в эквивалентные круглые сечения. Например, 38-миллиметровое квадратное и 25×100 мм прямоугольное сечения являются эквивалентом 40-миллиметровому диаметру поперечного сечения круглой заготовки; 60×100 мм прямоугольное сечение рав- 
но 80-миллиметровому диаметру круга.  
Влияние размера поперечного сечения при закалке одной и той же марки 
стали при одинаковых условиях показано на рис. 4, а твердость уменьшается от 
поверхности к сердцевине и существенно меньшее значение твердости сердцевины является результатом закалки большего сечения. 
На рис. 4, б показано влияние прокаливаемости и условий закалки при сравнении нелегированной стали (поверхностно-закаливаемой) и легированной стали высокой прокаливаемости, притом, что каждую закаливают в воде (а) и масле (б). 
Критическая скорость охлаждения нелегированной стали выше, чем критическая скорость охлаждения легированной стали. Только в тех точках поперечного сечения, где скорость охлаждения выше, чем Vcrit, может образоваться 
мартенсит и быть достигнута высокая твердость. 
У нелегированной стали это достигается при некой глубине только при закалке в воде (кривая а), закалка в масле не обеспечивает существенного увеличения твердости. У легированной стали закалка в воде (из-за высокой скорости 
охлаждения) дает скорость охлаждения выше, чем Vcrit даже в сердцевине, в результате чего можно получить сквозную закалку. Закалка в масле (кривая b) 
обеспечивает, в этом случае, скорость охлаждения выше, чем Vcrit в пределах 
вполне большой глубины закалки. И только область сердцевины остается неизменной. 
 
5

 
 
Рис. 3. Диаграмма для перевода прямоугольных сечений в эквивалентные 
круглые сечения согласно ISO 
 
 
 
Рис. 4. Влияние размера поперечного сечения (а), закаливаемости (b) 
и условий закалки на глубину закалки: 
а – закалка в воде; b – закалка в масле; Vcrit – критическая скорость охлаждения 
 
6

3. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ 
3.1. Определение прокаливаемости по Гроссману 
При определении прокаливаемости методом Гроссмана используются цилиндрические стальные заготовки различного диаметра, проходящие закалку  
в определенной закалочной среде. 
После разреза каждой заготовки вдоль по центру и проведения металлографического исследования отбирается заготовка, содержащая в центре 50 % мартенсита, а ее диаметр обозначается как критический диаметр (Dcrit). Значение 
твердости, соответствующее 50 % мартенсита, будет определяться точно в центре заготовки с Dcrit. 
Другие заготовки с диаметром меньше, чем Dcrit содержат больше, чем 50 % 
мартенсита в центре поперечного сечения и соответственно обладают большей 
твердостью, в то время как заготовки с диаметром больше, чем Dcrit имеют содержание мартенсита 50 % только на определенной глубине как показано  
на рис. 5. 
 
 
Рис. 5. Определение критического диаметра Dcrit методом Гроссмана 
 
Критический диаметр Dcrit соответствует той закалочной среде, в которой 
закалялись заготовки. Если изменить закалочную среду для заготовок одной 
марки стали, то можно получить разные значения критического диаметра. 
Для определения закалочной среды и её условий, Гроссман вводит коэффициент Н – резкость закалки. Значения Н для масла, воды, соленой (морской) воды при различных скоростях перемешивания приведены в табл. 1. Как видно из 
таблицы, резкость закалки сильно зависит от скорости перемешивания. 
Чтобы определить прокаливаемость стали независимо от закалочной среды, 
Гроссман вводит идеальный критический диаметр D1, который определяется 
как диаметр заданной стали, с содержанием 50 % мартенсита в центре при коэффициенте Н = ’. Здесь Н = ’ обозначает гипотетическую резкость закалки, 
которая понижает поверхностную температуру нагретой стали до температуры 
 
7

ванны в начале отчета. Гроссман и его коллеги составили номограмму, показанную на рис. 6, которая позволяет перевести любое значение критического 
диаметра Dcrit для заданного значения Н согласно значению идеального критического диаметра D1, о котором идет речь. 
 
Таблица 1 
Коэффициент резкости закалки Н  
Метод закалки 
Значение Н (дюйм
1
−) 
Масло 
Вода 
Морская вода 
0,25–0,30 
0,30–0,35 
0,35–0,40 
0,40–0,50 
0,50–0,80 
0,80–1,10 
1,0 
1,0–1,1 
1,2–1,3 
1,4–1,5 
1,6–2,0 
4,0 
2,0 
2,0–2,2 
– 
– 
– 
5,0 
Без перемешивания 
Умеренное перемешивание 
Среднее перемешивание 
Хорошее перемешивание 
Сильное перемешивание 
Интенсивное перемешивание 
 
Например, после закалки в воде (Н = 1,0), круглая заготовка, изготовленная 
из марки стали А имеет критический диаметр (Dcrit) = 28 мм. Согласно рис. 6 
это значение соответствует идеальному критическому диаметру (D1) = 48 мм. 
Другая круглая заготовка из стали марки В, после закалки в масле (Н = 0,4) 
имеет критический диаметр (Dcrit) = 20 мм. При помощи рис. 6 переведем  
это значение и получим идеальный критический диаметр (D1) = 52 мм. Таким 
образом, сталь марки В обладает более высокой прокаливаемостью, чем сталь 
марки А. Это показывает, что D1 – это критерий прокаливаемости стали, независимый от закалочной среды. 
Если значение D1 известно для конкретной стали, то по рис. 6 можно найти 
критический диаметр этой стали в различных закалочных средах. Для низко-  
и среднелегированных марок стали прокаливаемость, с определенным значением D1, можно рассчитать из химического состава после вычисления размера 
зерна аустенита. 
Сначала по рис. 7 рассчитывается исходная прокаливаемость как функция 
содержания углерода и размера зерна аустенита согласно весовому проценту 
каждого элемента. Например, сталь с размером зерна аустенита (в соответствии 
с Американским обществом по испытанию материалов (АОИМ)) равным 7  
и химическим составом: С = 0,25 %, Si = 0,3 %, Mn = 0,7 %, Cr = 1,1 %, Mo = 0,2 %. 
Затем находится исходная величина прокаливаемости по рис. 7 (в дюймах). Она 
равна D1 = 0,17. Общая прокаливаемость этой стали: 
 
D1 = 0,17·1,2·3,3·3,4·1,6 = 3,7 (дюйм).  
(1) 
При расчетах принимают, что общее количество каждого элемента находится в растворе при температуре аустенизации. Поэтому диаграмма (рис. 8) применяется при содержании углерода выше 0,8 % при условии, что все карбиды 
находятся в растворе во время аустенизации. Но это не совсем верно, потому 
что обычные (принятые) температуры закалки для таких сталей ниже температур, необходимых для полного растворения карбидов. 
 
8

D1, мм 
 
 
Рис. 6. Идеальный критический диаметр (D1) как функция  
содержания углерода и размера зерна аустенита для простых 
углеродистых сталей, согласно Гроссману 
 
Поэтому нужно учитывать, что значения исходной прокаливаемости для 
сталей с содержанием углерода более 0,8 % будут меньше, чем на диаграмме. 
При более поздних исследованиях другими авторами была построена похожая 
диаграмма, в которой была учтена сумма этих отклонений исходной прокаливаемости для сталей, содержащих более 0,8 % углерода по сравнению со значениями, показанными на рис. 8 [6]. Хотя значения D1, вычисленные выше, только приближенные, они помогают сравнивать прокаливаемости 2-х разных марок стали. 
Недостатком метода Гроссмана является то, что фактическая резкость закалки в течение всего процесса закалки описывается всего лишь единственным 
значением Н. Известно, что на разных стадиях процесса закалки заметно изменяется коэффициент теплопередачи на границе раздела поверхность металла – 
окружающая закалочная среда при испарении жидкости. 
 
9

 
 
Рис. 7. Номограмма для перевода значения критического диаметра Dcrit  
в идеальный критический диаметр D1 для заданного значения резкости  
закалки Н, согласно методу Гроссмана и его коллег 
 
10