Строение и свойства железа

Железо — это металл серебристо-белого цвета, имеющий плот­ность 7,68 Мг/м³, Т^ = 1539 °С, атомную массу 55,85 и атомный номер 26 (находится в VIII группе и 4-м периоде таблицы Д.И. Мен­делеева). Абсолютно чистое железо неизвестно. Чистое железо, кото­рое может быть получено в настоящее время, содержит Fe 99,999 %. Технически чистое железо содержит Fe 99,8—99,9 %; его называют «армко железо», которое используют в электротехнике в качестве магнитного материала (см. гл. 15.1.1). Чистейшее Fe имеет совсем другие свойства, чем технически чистое Fe.

На рис 10.13 приведены кривые нагрева и охлаждения Fe, на ко­торых в виде площадок отмечены критические точки при нагрева­нии: Ас^^ Ас₄ и охлаждении: Ат₄, Лг₃, Ат₂ (буквы от франц. слов: А — arrete — остановка; с — choffage — нагрев; г — refroidissment — ох­лаждение). Железо при обычных температурах имеет о.ц.к. решетку и его называют a-Fe. При нагреве до температуры 910 °С Fe сохраняет решетку объемноцентрированного куба. Однако, начиная с темпера­туры 770 °С и выше, Fe становится немагнитным (парамагнетиком). Это a-Fe часто называют (J-Fe. При температуре 910 °С происходит перегруппировка атомов, и решетка становится г.ц.к.; такое железо называют y-Fe. При температуре 1400 °С вновь происходит перегруп­пировка атомов Fe, и образуется решетка о.ц.к. Это высокотемпера­турное a-Fe нередко называют 5-Fe. При температуре 1539 °С ± 5 °С Fe плавится.

Критическая температура превращения y-Fe ^ a-Fe (5-Fe) при 1400 °С (1392 °С) обозначают точкой Ас₄ (Ат₄), температуру превра­щения a-Fe (p-Fe) y-Fe при 910 °С (898 °С) - точкой Ас₃ (Аг₃).

Рис. 10.13. Кривые нагрева и охлаждения железа

Температуру Кюри, равную 770 °С (768 °С), обозначают точкой Лс₂ (ат₂).

При переходе a-Fe в y-Fe кристаллическая решетка перестраива­ется из о.ц.к. в г.ц.к., при этом происходит ее объемное сжатие. Выше уже отмечалось, что в о.ц.к. решетке атомы занимают объем 68 %, а в г.ц.к. — 74 %. Поэтому плотность Fe при переходе из а- в у-модификацию возрастает с 7,68 Мг/м³ до 8,0—8,1 Мг/м³ при 20 °С (получено экстраполированием).

10.4.2. Компоненты и фазы в сплавах системы «железо—углерод»

Основными компонентами сплавов системы «Fe—С» является железо и углерод. Строение и свойства железа Fe рассмотрены в гл. 10.4.1. Рассмотрим кратко строение и свойства второго компо­нента Fe—С сплавов — углерода С.

Углерод — неметаллический элемент с атомным номером 6 (VI группа, 2-й период таблицы Д. И. Менделеева). Его плотность — 2,5 Мг/м³, Т_ш = 3500 °С. Он полиморфен и в обычных условиях на­ходится в виде графита. Графит имеет кристаллическую решетку гексагональную, слоистую; обладает низкой прочностью и относи­тельно невысокой удельной электропроводностью. У поликристал­лического графита плотность равна 2,26 Мг/м³, а удельное сопротив­ление р = 8 • 10~⁶ Ом-м. Углерод растворяется в Fe, образуя жидкие и твердые растворы, а также образует с Fe химическое соединение — цементит (карбид железа Fe₃C). В высокоуглеродистых сплавах (в се­рых чугунах) углерод может находиться еще и в виде свободного гра­фита.

Основными фазами и структурными составляющими сплавов системы Fe—С, от которых зависят свойства и поведение сплавов при механических и тепловых нагрузках, являются: феррит Ф, аусте- нит А, цементит Ц и продукты их эвтектического и эвтектоидного превращения: ледебурит JI и перлит П.

Феррит (от лат. ferrum — железо) — это твердый раствор углерода (и других примесей, например, Mn, Si) в a-железе. Атомы раство­ренного углерода в Ф располагаются в центре граней о.ц.к. решетки, а также в вакансиях, на дислокациях и других дефектах. Феррит имеет невысокую твердость и прочность, которые зависят от ко­личества растворенного в нем углерода, НВ-80 (65—130) кгс/мм² (-800 МПа), а_в = 25 кгс/мм² (250 МПа) и высокую пластичность: его относительное удлинение перед разрывом 5 = 50 %, а относительное сужение \|/ = 80 %. Поэтому технически чистое Fe (применяется в электротехнике), структуру которого представляют зерна феррита, хорошо поддается пластической деформации в холодном состоянии, хорошо штампуется, прокатывается, протягивается и т. п. Чем боль­ше феррита в Fe-C сплавах, тем они более пластичны. При растворе­нии в феррите Мп и Si, которые являются неизбежной примесью ре­альных сталей, твердость Ф возрастает до НВ=100 кгс/мм² (1000 МПа). До температуры 770°С Ф является сильным ферромагнетиком, хорошо проводит электрический ток и тепло.

Аустенит (по имени английского ученого Аустена) — это твердый раствор углерода (и других элементов) в y-Fe. Атомы растворенного в аустените углерода располагаются в центре элементарных ячеек г.ц.к. решетки. В зависимости от температуры, в А углерода может раство­риться до 2,14 % (при Т= 1147 °С), т. е. больше, чем в Ф. Аустенит обычно существует только при Т> 727 °С. При комнатной темпера­туре он иногда в небольшом количестве сохраняется только в зака­ленной стали. Аустенит менее пластичен, чем феррит, его твердость НВ «160-200 кгс/мм² (1600-2000 МПа), 5 = 40-50 %. А- парамаг­нетик, хуже проводит электрический ток и тепло, чем Ф.

Способность а- и y-Fe растворять неодинаковое количество уг­лерода играет важную роль при термической и химико-термической обработке стали.

Цементит (указывает на твердость этой фазы) — это химическое соединение Fe с С — карбид железа Fe₃C. Содержание углерода в Ц 6,67 %, температура плавления точно не установлена в связи с воз­можностью его распада и принимается равной примерно 1550 °С (в литературе встречается и 1600°, и 1250 °С). Цементит при опреде­ленных условиях может распадаться на феррит и графит. До темпе­ратуры 210 °С (точка А₀) Ц слабо магнитен, выше — становится практически немагнитным. Цементит является самой твердой и хрупкой фазой в сплавах Fe—С. Его твердость составляет НВ ~ 800 кгс/мм² (8000 МПа), а пластичность практически равна нулю, поэто­му он способен только к небольшим упругим деформациям. Чем больше Ц в сплавах Fe—С, тем большей твердостью и меньшей пла­стичностью они обладают (например, чугуны).

Различают цементит Ц первичный Ц_х — кристаллизуется непо­средственно из жидкого раствора системы Fe—С, вторичный Ц_п — продукт распада аустенита и третичный Ц_ш — продукт распада фер­рита.

Ледебурит (по имени немецкого ученого Ледебура) имеет эвтек­тическую структуру (колониального типа), представляющую механи­ческую смесь зерен (пластин) аустенита и цементита, одновременно кристаллизующихся из жидкого раствора при постоянной темпера­туре, равной 1147 °С. Ледебурит содержит углерода 4,3 %. Он присут­ствует во всех затвердевших сплавах, содержащих углерод от 2,14 до 6,67 %, называемых чугунами (в сталях его нет). Образование Л идет из жидкого раствора по схеме

^4,3 "⁴⁷°^С > А,,4+^6,67

(цифры в этой схеме и в схеме, приведенной ниже, указывают содер­жание углерода в данной фазе). Таким образом, при 1147°С имеет место эвтектическое превращение, в результате которого образуется ледебурит.

При температурах выше 727 °С ледебурит представляет собой ау- стенитно-цементитную эвтектику и обозначается через Ла. При тем­пературах, равной и ниже 727 °С, аустенит превращается в перлит (см. ниже) и образуется структура, состоящая из перлита и цементи­та. Эта структура обозначается буквами Лп. Ледебурит — твердая и хрупкая структурная составляющая чугунов. При обычных темпера­турах его твердость НВ ~ 650 кгс/мм² (6500 МПа).

Перлит (от франц. perle — жемчуг, указывает на перламутровый отлив шлифа) — представляет собой эвтектоидную структуру, со­стоящую из смеси зерен (пластинок) феррита и цементита, образую­щуюся при постоянной температуре, равной 727 °С в результате рас­пада аустенита. При остывании А до 727 °С содержание в нем углерода становится равным 0,8 %. Распад происходит по схеме

а ⁷²⁷°^с > ф +тт 0,8 * 0,02 ^ ^ 6,67 '

Распад А называют эвтектоидным превращением, а образующуюся смесь тонких пластинок цементита и расположенных между ними более толстых пластинок феррита — эвтектоидной. Вообще эвтектоид­ным превращением называют процесс, когда твердый раствор опреде­ленного состава (в данном случае аустенит) при постоянной темпера­туре трансформируется в структуру, состоящую из новых твердых фаз (в данном случае ФиЦ). Перлит образуется как в сталях, так и в чугу- нах и играет важную роль в формировании их механических характе­ристик. Механические свойства П определяются формой и размером частиц цементитной фазы; чем мельче смесь, тем лучше свойства. Пластинчатый перлит имеет НВ «180—220 кгс/мм² (1800—2200 МПа); а_в - 80 кгс/мм², 5 = 20%.

10.4.3. Диаграмма состояния сплавов системы «железо—углерод»

На рис. 10.14 представлена упрощенная диаграмма состояния сплавов системы Fe—С (Fe—Fe₃C), а на рис. 10.15 и 10.16 — реаль­ная структура типичных железоуглеродистых сплавов. Диаграмма построена по содержанию углерода в количестве от 0 до 6,67 % или по содержанию цементита от 0 до 100 %.

На диаграмме точка А (1539 °С) соответствует (Г_зат) Fe, а точка D (-1550 °С) — Т_ш (Г_зат) цементита. Линия ACD — это линия ликви­дуса, которая показывает температуру начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. Выше линии ACD сплавы нахо­дятся в жидком состоянии. Линия AECF — это линия солидуса, кото­рая показывает температуру конца затвердевания (начала плавления) всех сплавов системы Fe—С.

По линии ликвидуса АС при температурах, соответствующих этой линии, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит, а на ли­нии CD — первичный цементит Ц_{. В точке С при температуре 1147 °С и содержании углерода 4,3 % из жидкого раствора одновре-
г, °с

А ^^^ > s Жидкий раствор ^^ \Жидкий раствор^4^ / Жидкий X +аустенит /, раствор X / +цементит ^Х 1147 °С (первичный)
Аустенит Vj дустенит+цементит / \ (вторичный) " Аустенит/! ^+ ледебурит (Ла) G +феррит/ 1 К/ /Аустенит \V /+цементит о/ (вторичный) ШХ/5! 727 °С	Цементит 'н (первичный) о. +ледебурит (JIa) ю <U сй< 5
РЁЁ' £ Перлит Перлит+цементит /! &D.I g. +цементит (вторичный) 11 Я с (вторичный) +ледебурит (Лп) fi^+iR;	| д Цементит ® + (первичный) С +ледебурит {Jin) 1 1 1

Феррит -

D

К

2,14

4 4,3 ~60

6 6,67%С

100%Fe₃C

Рис. 10.14. Упрощенная диаграмма состояния сплавов Fe—С (Fe—Fe₃C)

менно кристаллизуются А и Ц_и образуя эвтектику, называемую леде­буритом.

На линии солидуса АЕ при температурах, соответствующих этой ли­нии (до 1147 °С), окончательно затвердевают сплавы Fe—С с содержа­нием углерода до 2,14 % и образуется структура аустенита. Сплавы Fe с содержанием углерода до 2,14 % называют сталями. Стали — это спла­вы железа Fe с углеродом С, в которых в результате первичной кристал­лизации в равновесных условиях образуется аустенитная структура.

На линии солидуса ЕС (температура 1147 °С) окончательно за­твердевают сплавы Fe—С с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %, и образуется эвтектика ледебурита (.Ла). При высоких температурах из жидкого раствора выкристаллизовывается также и аустенит, из кото­рого при охлаждении выделяется избыточный углерод в виде цемен­тита (вторичного). Поэтому такие сплавы после затвердевания име­ют структуру, представляющую смесь кристаллов (А + Ц_и + Ла).

На линии солидуса СЕ (1147 °С) окончательно затвердевают сплавы Fe—С с содержанием углерода от 4,3 до 6,6 %. Так как при высоких температурах из жидкого раствора выделяется цементит (первичный), а также образуется эвтектика ледебурита, такие сплавы после затвердевания (при 1147°С) имеют структуру, представляю­щую смесь кристаллов первичного цементита и ледебурита (Ц_{ + Ла).

Феррит +цементит, (третичный)^

0,8 1

Таким образом, на линии ECFжидкие сплавы эвтектического со­става кристаллизуются с образованием ледебурита, поэтому линию
температур isCT⁷ называют линией эвтектического равновесия. Ледебу­рит присутствует во всех затвердевших сплавах, содержащих углерод от 2,14 до 6,67 %. Такие сплавы называют чугунами. Если цвет изло­ма чугуна серебристо-белый, такой чугун называют белым; в нем практически весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Чугуны с включениями графита называют серыми.

В области АСЕ находится смесь двух фаз — жидкого раствора и кристаллов аустенита. В области CDF находится смесь, также состоя­щая из двух фаз — жидкого раствора и кристаллов цементита (пер­вичного). В области AGSE в результате первичной кристаллизации образуется однофазная структура — аустенит.

При охлаждении твердых сплавов в них происходят фазовые и структурные изменения, связанные с аллотропическими превраще­ниями Fe и изменением растворимости в нем углерода. Эти измене­ния (фазовые превращения) в сплавах Fe—С характеризуют линии GSE, PSK, GPQ.

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит, а линия GP — конец этого превращения, имеющего место при охла­ждении. Поэтому в области GSP будет двухфазная структура, состоя­щая из аустенита и феррита. Критические точки А₃ лежат на ли­нии GS.

Линия SE показывает, что с понижением температуры твердых растворов растворимость углерода в аустените уменьшается. Если при 1147 °С в аустените углерода содержится 2,14 %, то при 727 °С — 0,8 %. В сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % с понижени­ем температуры из аустенита выделяется избыточный углерод, кото­рый образует вторичный цементит Ц_п. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727 °С) сталь имеет структуру, состоящую из А и Ц_п. Критические точки, лежащие на линии SE, обозначают А_СТ.

В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147 °С, как уже отмечалось выше, структура состоит из А и Л, а с понижени­ем температуры из аустенита также начинает выделяться вторичный цементит. Поэтому ниже линии ЕС до температуры 727 °С белые чу­гуны имеют структуру, состоящую из А, Ла и Ц_и.

Линия PSK (727 °С) — это линия эвтектоидного равновесия. В точ­ке S (температура 727 °С) при содержании углерода 0,8 % аустенит распадается с образованием эвтектоидной структуры, называемой перлитом (механическая смесь зерен Ф и Д,,). Поэтому по линии PSK во всех сплавах Fe—С из аустенита идет образование перлита. Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначаются А_х.

Ниже температуры 727 °С сплавы Fe—С имеют следующие структуры:

— стали с содержанием углерода 0,8 % имеют структуру перлита и называются эвтектоидными сталями (структуру см. рис. 10.15, в, г);

— стали с содержанием углерода от 0,02 % при 727 °С (~0,006 % при 20 °С) до 0,8 % имеют структуру, состоящую из Ф и Я, и называются доэвтектоидными сталями (см. рис. 10.15, б). Же­лезо, содержащее углерод 0,02 % и менее, имеет однофазную структуру Ф и называется технически чистым железом (общее содержание примеси не более 0,1 %). На рис. 10.15, а изобра­жена структура стали с содержанием углерода 0,05 %. Из ри­сунка видно, что по границам ферритовых зерен выделился третичный цементит;

— стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % имеют структу­ру, состоящую из 77 и Ц_и, и называются заэвтектоидными ста­лями (см. рис. 10.15, д).

Белые чугуны с содержанием углерода 4,3 % имеют структуру ле­дебурита, представляющего при температурах ниже 727 °С смесь П и Ц(Лпа выше 727 °С — смесь А и Ц(Ла). Называют эти чугуны эв­тектическими (структуру см. на рис. 10.16, б). Белые чугуны с содер­жанием углерода от 2,14 до 4,3 % ниже температуры 727 °С имеют структуру, представляющую смесь Я, Jin и Ц_и, называют доэвтекти- ческими чугунами (см. рис. 10.16, а). Белые чугуны с содержанием уг­лерода от 4,3 до 6,67 % ниже 727 °С имеют структуру, состоящую из смеси Ц_х и Jin. Их называют заэвтектическими чугунами (рис. 10.16, в).

Таким образом, при температуре 727 °С происходит окончатель­ный распад аустенита и превращение его в перлит.

Линия PQ показывает, что с понижением температуры раствори­мость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при комнатной температуре и из феррита выделяется угле­род в виде третичного цементита Ц_т. В большинстве сплавов Fe—С третичный цементит структурно не выявляется. Однако в низкоугле­родистых сталях при медленном охлаждении Ц_т выделяется по гра-

Рис. 10.15. Структура сталей: а — содержание С = 0,05 % (армко железо), видны зерна Ф (светлые участки), по границам которых — Ц_ш, х 500; б — доэвтектоидная сталь (С = 0,4 %) — Ф (светлые участки) и Я (тем­ные участки), х 1000; в — эвтектоидная сталь (С = 0,8 %) — П (пластинчатый), х 1000; г — эв- тектоидная сталь (С = 0,8 %) — Я (зернистый), х 500; д —заэвтектоидная сталь (С = 1,2 %) — П и Ц (в виде сетки), х 200

ницам зерен феррита (см. рис. 10.15, а), уменьшая пластичность ста­ли и снижая ее способность к холодной обработке давлением, например штамповке (см. гл. 11.3).

Линия МО (температура Кюри равна 768 °С) показывает, что при нагревании ферромагнитный феррит переходит в парамагнитный, а при охлаждении наоборот.

Можно считать, что все равновесные сплавы (т. е. отожженные образцы) системы Fe—С при Г< 727°С, включая комнатную, при содержании углерода от 0 % (0 % Fe₃C) до 6,67 % (100 % Fe₃C), со­стоят из двух фаз — феррита и цементита, находящихся в них в раз­ных количественных соотношениях (рис. 10.17).

Реальные физико-химические свойства сталей и чугунов в значи­тельной мере зависят от неизбежно попадающих в них при выплавке других химических элементов, которые или растворяются в феррите и цементите, или образуют в сплавах твердые или газообразные не­металлические включения. Свойства сталей при этом сильно изме­няются. Примеси могут быть полезными — Mn, Si и вредными — S, Р и попавшими из атмосферы — 0₂, N₂, Н₂. На механические свойства существенное влияние оказывает также термическая обработка гото­вых изделий.

Рис. 10.16. Структура белых чугунов:

а — доэвтектический чугун (С = 3,2 %) — П (темные участки) и JI (Д_п в структуре не виден), х 500; б — эвтектический чугун (С = 4,3 %) — JI (темные участки — П, светлые — Ц), х 1000; в — заэвтектический чугун (С = 5 %) — Ц (светлые пластины) и Д х 500 Рис. 10.17. Диаграмма фазового состава для равновесных сплавов при температурах ниже 727 °С, включая комнатную

а

в

б

Если поместить пластину обычной углеродистой стали во влажный воз­дух, то зерна феррита и цементита образуют гальванические микроэлемен­ты, в которых катодом являются зерна цементита, а анодом — зерна ферри­та. На микроанодах (зернах феррита) положительные ионы железа Fe²⁺ начнут переходить в пленку воды (адсорбированную из воздуха) и, взаимо­действуя с ионами гидроксила, будут образовывать гидрат закиси железа Fe(OH)₂. Кислород, находящийся в воде, будет окислять Fe(OH)₂ в гидрат
окиси железа Fe(OH)₃ (не растворимое соединение — «ржавчина»). Стальная пластина начнет корродировать. В результате ухода ионов Fe²⁺ из микроано­дов в пленку воды освободившиеся электроны переходят на микрокатоды (зерна цементита) и ионизируют кислород с образованием гидроксилов. Та­ким образом на микроэлектродах протекают следующие процессы:

На аноде На катоде

2Fe - 4е 2Fe²⁺

2Fe²⁺ + 40Н~ 2Fe(OH)₂ 4е + 2Н₂0 + 0₂ 40Н"

4Fe(OH)₂ + 2Н₂0 + 0₂ -> 4Fe(OH)₃

10.5. ПОНЯТИЕ О ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛЕЙ 10.5.1. Сущность и назначение термической обработки

Термической обработкой сплавов системы Fe—C называют сово­купность операций нагрева и охлаждения сплавов с целью изменения фазового состава и размера зерен и тем самым получения заданных ме­ханических свойств.

Вызываемые при этом фазовые превращения протекают в спла­вах, находящихся в твердом состоянии, по определенному режиму, состоящему обычно из нагрева до заданной температуры Г_то, неко­торой выдержке при этой температуре и охлаждении с заданной ско­ростью до комнатной температуры (рис. 10.18). Нагрев, выдержку и охлаждение производят за определенное время. Следовательно, ос­новными факторами термической обработки являются температура и время.

Термической обработке подвергают как стали, так и чугуны. При этом их химический состав не меняется, а изменяются лишь фазо­вый состав, структура и, как следствие этого, — свойства. Свойства могут изменяться в широком интервале; сталь 40 имеет твердость НВ = 150 кгс/мм², а закаленная — НВ = 600 кгс/мм².

например, отожженная

Время Рис. 10.18. Схема режима термической обработки

Термическую обработку применяют как промежуточную операцию в цепи тех­нологических процессов производства де­тали (изделия), так и в качестве завершаю­щего этапа. Например, термической обра­ботке подвергают детали (заготовки), полу­ченные литьем, ковкой и т. п., чтобы сни­зить их твердость и улучшить обрабатывае­мость на металлорежущих станках, а также уже готовые детали (изделия), чтобы повы­сить их твердость, прочность, упругость и долговечность работы.

10.5.2. Фазовые превращения в сталях при термической обработке

Рассмотрим фазовые превращения в сталях при нагреве выше критических точек A_h А₃ и А_ст, а также при их охлаждении ниже этих критических точек. Так как критические точки при нагреве и охлаждении не совпадают, к их обозначению при нагреве добав­ляют букву «с», а при охлаждении — «г». Соответственно крити­ческие точки записывают: при нагреве Ас_{ и Ас₃, а при охлажде­нии Ат_х и Ат₃.

Главная цель нагрева стали — получение аустенитной структуры.

Сталь в исходном состоянии (до нагрева) в зависимости от со­держания углерода может иметь структуру феррито-перлитную (сталь доэвтектоидная, см. рис. 10.15, б), перлитную (сталь эвтекто- идная, см. рис. 10.15, в, г) или перлито-цементитную (сталь заэвтек- тоидная, см. рис. 10.15, д).

При нагреве стали и переходе температуры через критическую точку Ас_х (температура 727 °С, см. рис. 10.14, линия PSK) перлит начнет превращаться в аустенит и, следовательно, образуются структуры: у доэвтектоидной стали — феррито-аустенитная, у эв- тектоидной — аустенитная и у заэвтектоидной — аустенитно-це- ментитная. При дальнейшем повышении температуры у доэвтек­тоидной стали феррит постепенно превращается в аустенит, и при достижении температуры, соответствующей критической точке Ас₃ (см. рис. 10.14, линию GS), процесс перехода Ф в А полностью за­вершается. У заэвтектоидной стали при нагреве выше 727 °С це­ментит растворяется в аустените и при достижении температуры критической точки Лет (см. рис. 10.14, линия SE) структура ста­новится аустенитной.

Таким образом, при температурах, соответствующих критиче­ским точкам Ас₃ и Act (линия GSE), все стали будут иметь структуру из одного аустенита. Однако образовавшийся аустенит будет неодно­родным по составу в силу того, что процессы диффузии углерода не успевают завершиться. Поэтому для ускорения диффузионных про­цессов, выравнивающих в зернах аустенита содержание углерода и других элементов (например, легирующих), стали нагревают выше линии GSE на 30—50 °С, и при этой температуре делают выдержку, достаточную для выравнивания состава во всех зернах. При этом об­разуется структура мелкозернистого аустенита независимо от разме­ра зерен стали до термообработки. Нагрев до более высоких темпера­тур недопустим, так как приведет к увеличению размера зерен аустенита и в результате этого к ухудшению механических свойств стали.

Главная цель охлаждения стали — превращение аустенита в же­лаемую структуру: перлит, сорбит, троостит или мартенсит.

Образование этих структур (рис. 10.19 и 10.20), в свою очередь, зависит от температуры нагрева, а главное — скорости (времени) ох­лаждения (табл. 10.1).

а б в Рис. 10.19. Электронные микрофотографии перлита (а), сорбита (б) и троостита (в), х 7500

а б Рис. 10.20. Структура перлита (а) и мартенсита (б)

Таблица 10.1 Изменение структуры и твердости углеродистой стали эвтектоидного состава в зависимости от скорости охлаждения

Скорость охлажде­ния, °С/с	Температура превра­щения, °С	Структура	Твердость НВ (средние значения), кгс/мм^2
	700-650	Перлит
	650-600	Сорбит
	600-500	Троостит
	500-300	Троостомартенсит
	300-200	Мартенсит

На практике требуемую скорость охлаждения получают путем выбора среды охлаждения. Охлаждают изделия в закрытой или от­крытой печи, на воздухе, в минеральном масле или в воде. Самая низкая скорость охлаждения — в закрытой печи, самая высокая — в воде (особенно если в ней растворена соль или щелочь). Следова­тельно, изменяя скорость охлаждения аустенита, можно получать стали (изделия) с различными свойствами — от самых мягких и пла­стичных до наиболее твердых и хрупких.

Для простоты рассмотрим превращения аустенита в эвтектоид- ной стали (содержание углерода 0,8 %). При медленном охлаждении изделия (например, в печи) из этой стали при температурах, близких 700 °С, т. е. при незначительном переохлаждении ниже линии PSK

(см. рис. 10.14), аустенит превращается в равновесную (устойчивую) структуру перлита, представляющего собой грубую, крупнопластин­чатую смесь Ф и Ц с твердостью НВ ~ 80—200 кгс/мм² (рис. 10.19, а).

При ускоренном охлаждении, например на открытом воздухе, распад аустенита произойдет при более низких температурах (-650 °С), и образуется более мелкая, чем перлит, тонкопластинчатая смесь Ф и Ц, которую называют сорбитом С (по имени английского ученого Сорби). В отличие от перлита С имеет более высокую твер­дость (НВ ~ 250—300 кгс/мм²), предел прочности на разрыв а_в и уп­ругость при достаточной вязкости.

При дальнейшем ускорении охлаждения (например, в минераль­ном масле) распад аустенита происходит при еще более низких тем­пературах (-550 °С) с образованием более мелкой, чем сорбит, высо­кодисперсной смеси Фи Д, которую называют трооститом Т (по имени французского ученого Трооста). От сорбита Т отличается бо­лее высокими твердостью (НВ ~ 350—400 кгс/мм²), упругими свойст­вами и меньшей вязкостью.

При достаточно большой скорости охлаждения (например, в воде) аустенит не успевает распасться на феррито-цементитную смесь и превращается в пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в a-Fe, называемый мартенситом М (по имени немецкого ученого Мартенса). Аустенит — это твердый раствор углерода в y-Fe. При охлаждении y-Fe переходит в a-Fe, а при резком переохлажде­нии аустенита углерод не успевает выделиться из него в виде цемен­тита Ц_и и остается в a-Fe. При комнатной температуре a-Fe способ­но растворить 0,006 % углерода. В случае же образования мартенсита у эвтектоидной стали в решетке a-Fe растворяется - 0,8 % углерода, что приводит к сильной деформации кристаллической решетки и повышению тем самым плотности дислокаций (см. гл. 10.2.3). Структура М неравновесная (неустойчивая). Мартенсит очень тверд (НВ = 600 кгс/мм²), хрупок и является основной структурой закален­ной стали (см. рис. 10.20). Различают температуру, при которой на­чинается превращение аустенита в мартенсит — М_н и при которой этот процесс заканчивается — М_к. С увеличением содержания угле­рода в стали М_н и М_к снижаются (рис. 10.21). У доэвтектоидных ста­лей (содержание углерода менее 0,8 %) с увеличением содержания углерода твердость мартенсита возрастает и достигает значений HRC = 65 (рис. 10.22). Минимальная скорость охлаждения, которая обеспечивает превращения А -» М, называется критической скоро­стью закалки.

10.5.3. Виды термической обработки сталей

Основными видами термической обработки углеродистых сталей являются отжиг, закалка, отпуск. С помощью этих операций получа­ют изделия с различными механическими свойствами — от самых мягких и пластичных до наиболее твердых и хрупких.

Мартенсит

0 0,4 0,8 1,2 1,6 Содержание углерода, %

т°с

-200,

S 70 0 0,4 0,8 Содержание углерода, %

Рис. 10.21. Влияние содержания углерода Рис. 10.22. Влияние содержания углерода

на твердость HRC мартенсита

к

на температуру начала М_н и конца М_¥

мартенситного превращения

Отжиг является предварительной операцией термической обра­ботки. Его производят для снятия внутренних напряжений, устране­ния структурной неоднородности, снижения твердости стальных за­готовок перед механической обработкой, а также при подготовке к последующей термической обработке. В результате отжига образу­ется равновесная структура Fe—С сплавов. Отжиг заключается в на­греве изделия (заготовки), выполненного из стали эвтектоидной, до температуры аустенитного состояния, из стали доэвтектидной — до феррито-аустенитного и из стали заэвтектоидной — до аустенит- но-цементитного состояния и выдержке при этой температуре для выравнивания состава и медленного охлаждения изделия вместе с печью.

Различают отжиг первого рода и второго рода. Отжиг первого ро­да происходит без фазовых (полиморфных) превращений, а если они и имеют место, то не оказывают решающего влияния на конечную структуру сталей. Различают следующие разновидности отжига пер­вого рода: гомогенизационный (диффузионный); рекристаллизаци- онный — для устранения наклепа и возвращения стали пластично­сти, при этом вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными (см. рис. 11.9, б—г); отжиг для снятия остаточных на­пряжений. Отжиг второго рода протекает с фазовыми (полиморф­ными) превращениями. К этому виду относятся отжиги: изотермиче­ский, неполный, полный и нормализационный (нормализация).

Нормализация сталей заключается в нагреве в зависимости от со­держания углерода до температуры Ас₃ + (30-50 °С) или Act + + (30-50 °С), т. е. выше линии GSE (см. рис. 10.14) на 30—50 °С, вы­держке при этой температуре и затем охлаждении на спокойном воз­духе. Из-за более быстрого охлаждения, чем при отжиге первого рода, происходит некоторое переохлаждение аустенита, в результате чего в низкоуглеродистых сталях образуется более высокодисперсная смесь феррита и перлита; в случае средне- и высокоуглеродистых сталей образуется тонкопластинчатая смесь феррита и цементита (структура сорбита), прочность и твердость при этом повышаются.

Для многих изделий нормализация является окончательной опера­цией термообработки. Иногда изделия после нормализации подвер­гают отпуску, чтобы снять внутренние напряжения, образующиеся при ускоренном охлаждении.

Закалка придает стали такую структуру и, следовательно, меха­нические свойства, которые обеспечивают изделию надежную и дол­говечную работу в заданных условиях эксплуатации. Это достигается путем создания мартенситной структуры, при которой сталь стано­вится более прочной, твердой, упругой и износостойкой. Свойства закаленной стали можно улучшить после соответствующего вида от­пуска (см. ниже). Закалка в сочетании с отпуском дает наилучший комплекс механических свойств.

Для закалки на мартенсит сталь нагревают на 30—50 °С выше температуры критических точек Ас₃ (для доэвтектоидных сталей) и А_ст (для заэвтектоидных сталей), т. е. выше линии GSE на 30—50 °С. При этой температуре выдерживают определенное время (в среднем одну минуту на один миллиметр сечения изделия) для выравнивания аустенита по углероду и другим растворенным в нем элементам (на­пример, легирующим, если сталь легированная) и затем охлаждают со скоростью, не менее критической. Углеродистые стали закалива­ют в воде. Качество закалки зависит от скорости нагрева, температу­ры и времени выдержки и особенно от скорости охлаждения. При низких скоростях закалки образуются более мягкие, чем мартенсит, структуры — сорбит, троостит.

Следует различать два понятия, характеризующие важные свойства стали: закаливаемость и прокаливаемость стали. Под закаливаемостью стали понимают ее способность повышать твердость в результате за­калки. Эта способность стали зависит от содержания в ней углерода (легирующие элементы влияют незначительно): чем больше в мартен­сите углерода, тем выше его твердость (см. рис. 10.22). Под прокаливае- мостью понимают способность стали закаливаться на определенную глубину, т. е. образовывать на определенную глубину закаленный слой с мартенситной или троостомартенситной структурой. Прокаливае­мость определяется критической скоростью охлаждения, которая за­висит от состава стали.

Отпуск стали является заключительной операцией термической обработки, выполняемой после закалки. Цель отпуска заключается в снижении или полном устранении внутренних напряжений, умень­шении хрупкости и повышении вязкости закаленной стали. При от­пуске неравновесная структура мартенсита переходит в более равно­весное состояние.

Отпуск закаленной стали достигается путем нагрева до заданной температуры, лежащей ниже критической точки Ас_х (727 °С), выдер­живания при этой температуре в течение времени, достаточного для завершения необходимых структурно-фазовых превращений, и охла­ждения с любой скоростью. В зависимости от температуры выдерж­ки отпуск подразделяют на низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск производят при 150—250 °С для снижения внут­ренних напряжений. При этих температурах из кристаллической ре­шетки мартенсита выделяется часть «лишнего» углерода и частично уменьшается ее искажение, а структура отпущенной стали становит­ся менее напряженной. Выделившийся углерод образует мельчай­шие, но видимые в микроскоп частицы е-карбида, состав и кристал­лическая решетка которого отличаются от цементита (Fe₃C). Полу­ченную структуру называют мартенситом отпуска. Низкому отпуску подвергают режущий инструмент и другие изделия, которые должны иметь высокую твердость и износостойкость.

Средний отпуск производят при 350—450 °С. При этих температу­рах заканчивается выделение углерода из мартенсита и полностью завершается его распад с образованием высокодисперсной смеси феррита и цементита, называемой трооститом отпуска. Превраще­ние М-^Т сопровождается уменьшением твердости и повышением пластичности и вязкости. Среднему отпуску подвергают все пружи­ны (в том числе локомотивов) после закалки.

Высокий отпуск производят при 500—680 °С. При этих темпера­турах практически полностью устраняется искажение решетки a-Fe и снимаются закалочные напряжения; плотность дислокаций сво­дится к минимуму. В результате образуется более грубая, чем у троо- стита, смесь феррита и цементита, называемая сорбитом отпуска. Эта структура имеет меньшую, но вполне удовлетворительную твер­дость, прочность и упругость, но более высокие показатели пластич­ности и вязкости.

Процесс закалки на Ми последующий отпуск на С называют улучшением стали. Этому процессу подвергают многие детали ма­шин: шестерни, оси, валы и т. п.

При термической обработке стали изменяется также размер ее зерна. Отжиг зерно укрупняет, а закалка — измельчает: чем мельче зерно, тем тверже сталь.

Кроме рассмотренных видов термической обработки, использу­ется в технике еще и такие ее виды, как: термомеханическая — соче­тание теплового воздействия и пластической деформации; химико- термическая — сочетание теплового и химического воздействия, в результате которого насыщается поверхностный слой изделия ка­ким-либо элементом-упрочнителем (углеродом — цементация, азо­том — азотирование, азотом и цианистой солью — цианирование и т. п.), что приводит к повышению твердости и износостойкости поверхности при сохраняющейся вязкости сердцевины детали; по­верхностная закалка — упрочнение поверхностного слоя изделия; из­делие при сохранившейся вязкости сердцевины приобретает повы­шенную твердость поверхности. Поверхностная закалка изделий из среднеуглеродистой стали упрочняет поверхностный слой на глубину До 2 мм путем нагрева обычно с помощью тока ВЧ, с последующим низким отпуском.

10.6. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Сталями называют сплавы железа с углеродом и некоторыми други­ми химическими элементами. Они занимают левую часть диаграммы со- стояния сплавов системы Fe—C. Содержание углерода в сталях может доходить до 2,14 % (см. рис. 10.14). Однако в сталях, применяемых в ма­шиностроении и строительстве, углерода содержится не более 1,3%.

При содержании углерода более 1,3 % стали становятся слишком твердыми и хрупкими, и существенно затрудняется их обработка ре­жущим инструментом (вообще о_в сталей достигает максимального значения при содержании углерода примерно 0,9 % и при большем его содержании уменьшается). На сегодняшний день стали являются основным конструкционным материалом для изготовления нагру­женных деталей машин, сооружений, элементов подвижного соста­ва. В электро- и радиотехнике стали (некоторые ее сорта) использу­ют главным образом в качестве ферромагнетика и ограниченно — в качестве проводникового материала, а как конструкционный мате­риал — в электроустановках при изготовлении несущих конструк­ций, органов управления и т. п.

Если сталь имеет в своем составе только Fe, С и некоторое коли­чество постоянной примеси, то такую сталь называют углеродистой. Если в углеродистую сталь специально введены один или несколько так называемых легирующих элементов (Cr, Ni, W и др.) с целью улучшения ее служебных и технологических свойств, то такую сталь называют легированной. При легировании могут возникать новые свойства, не присущие углеродистым сталям.

Дата добавления: 2015-08-09