Металлы и сплавы
Чтоб разобраться в сложных и разнообразных структурных превращениях в сплавах на основе железа и сознательно воздействовать на них путем термообработки для получения требуемых свойств, необходимо рассмотреть превращения в железоуглеродистых сплавах в условиях фазового равновесия, т.е. ознакомиться с диаграммой состояния «железоуглерод».
Компоненты и фазы в системе «железоуглерод»Железо – металл серебристо-серого цвета, очень пластичный, с удельным весом 7,8 г/см3, температурой плавления 1539С. Оно имеет несколько аллотропических превращений (аллотропия, или полиморфизм, – способность некоторых веществ при одном и том же химическом составе изменять тип кристаллической решетки, а следовательно, иметь различные свойства), которые наглядно показаны на кривой охлаждения чистого железа (рис. 6.1).
В процессе кристаллизации из жидкой фазы при температуре 1539С образуются кристаллы -железа с объемно центрированной кубической кристаллической решеткой (ОЦК), которое обозначается Fe. При дальнейшем охлаждении -железо сохраняется до температуры 1392С, при которой происходит полиморфное превращение -железа в -железо с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой (ГЦК), которое обозначается Fe; -железо устойчиво до температуры 911С. При температуре 911С опять происходит полиморфное превращение -железа в -железо с ОЦК кристаллической решеткой (обозначается Fe).
Рис. 6.1. Кривая охлаждения чистого железа
При температуре 768С (точка Кюри) наблюдается магнитное превращение, в результате которого образуется ферромагнитное -железо с ОЦК кристаллической решеткой, которое обозначается Fe.
Модификации железа , и обладают одной и той же ОЦК кристаллической решеткой. Следовательно, самостоятельными кристаллическими модификациями железа являются только - и -железо.
Обозначение критических точек железа. Температуры полиморфных превращений железа принято называть критическими точками и обозначать их буквой А с соответствующими индексами 2, 3, 4, указывающими на характер превращения. Чтобы отличить превращения, протекающие в железоуглеродистых сплавах при нагревании, от превращений при охлаждении принято к обозначению критических точек добавлять: при нагревании индекс с, при охлаждении индекс r. Например, точка А3 обозначает температуру аллотропического превращения FeFe.
Углерод – неметаллический элемент с удельным весом 2,265 г/см3, температурой плавления 3500С. Углерод имеет две аллотропические модификации: графита и алмаза. В форме графита в сплавах углерод встречается только в серых чугунах.
В железоуглеродистых сплавах присутствуют следующие твердые фазы:
Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в -железе.
Аустенит имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. Растворимость углерода в Fe зависит от температуры: чем выше температура, тем больше растворимость. Максимальная растворимость углерода в Fe равна 2,14% при температуре 1147С, при температуре 727С растворимость равна 0,8%. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Твердость НВ составляет 170…220.
Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в -железе. Феррит имеет кубическую объемно центрированную кристаллическую решетку. Растворимость углерода в Fe также зависит от температуры. Максимальная растворимость углерода в Fe равна 0,02% при температуре 727С, максимальная растворимость при комнатной температуре – 0,006%. Феррит (при 0,006% С) имеет следующие механические свойства в = 250 МПа,
0,2 = 120 МПа, = 50% , = 80%, НВ 80…90.
Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом Fe3C, содержащее 6,67% углерода. Он обладает сложной кристаллической решеткой, тепло- и электропроводностью, слабыми магнитными свойствами, высокой твердостью НВ 800, отличается хрупкостью. До температуры 210С цементит ферромагнитен. Температура плавления цементита – 1260С.
Различают: первичный цементит ЦI, который выделяется из жидкой фазы во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих углерода более
2,14 %; вторичный цементит ЦII, который выделяется из аустенита в железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,8% углерода, в интервале температур от 1147 до 727С; третичный цементит ЦIII – выделяется из феррита в железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,006% углерода, в интервале температур от 727 до 0С. Если в железоуглеродистом сплаве находятся одновременно несколько разновидностей цементита, то все они являются одной фазой, т.е. химическим соединением, так как имеют один и тот же состав, строение и свойства.
Графит. Кристаллическая решетка графита гексагональная слоистая. Он мягкий, обладает низкой прочностью и электропроводностью.
В железоуглеродистых сплавах могут присутствовать следующие двухфазные структуры:
Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь, состоящая из двух фаз: феррита и цементита. Перлит образуется из аустенита определенного состава (0,8% С) при температуре 727С. Содержание углерода в перлите для всех железоуглеродистых сплавов всегда постоянно и составляет 0,8%. В равновесии перлит имеет пластинчатое строение (см. микроструктуру). В результате термообработки можно получить перлит зернистый, но такая структура будет неравновесной. Механические свойства перлита зависят от степени измельченности частичек цементита и формы цементита. Сталь со структурой пластинчатого перлита имеет такие свойства: в = 820 МПа, = 15%, НВ 220; сталь с зернистым перлитом в = 630 МПа, = 20%, НВ 160.
Ледебурит (Л) – эвтектическая смесь, образующаяся при постоянной температуре 1147С из жидкой фазы определенного состава (4,3% С). При температуре 1147С и до 727С ледебурит состоит из двух фаз – аустенита и цементита; ниже 727С ледебурит состоит из двух структур – перлита и цементита, т.е. также из двух фаз, но только уже из феррита и цементита. Содержание углерода в ледебурите всегда постоянно и равно 4,3%.
Диаграмма состояния «железо–цементит»На диаграмме состояния «железо–цементит» приведены фазовый состав и структура сплавов с концентрацией углерода от 0 до 6,67% (рис. 6.2).
Область перитектического превращения в районе температуры плавления чистого железа условно не показана.
Линия АСD – линия ликвидус, линия начала кристаллизации сплавов. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.
Линия АECF – линия солидус, линия конца кристаллизации сплавов. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.
Линии АС и DС показывают температуры начала кристаллизации аустенита (АС) и первичного цементита (DС). При выделении из жидкой фазы кристаллов аустенита состав жидкой фазы будет обогащаться углеродом и по мере снижения температуры изменяться по линии АС. Состав твердой фазы (аустенита) при этом будет обогащаться углеродом и изменяться по линии АE. При выделении из жидкой фазы кристаллов первичного цементита состав ее будет обедняться углеродом и с понижением температуры изменяться по линии DС. Состав твердой фазы (цементита) остается постоянным. Количество углерода в цементите – 6,67%.
При достижении температуры 1147С состав жидкой фазы для любого сплава, расположенного между концентрациями от точки Е (2,14% С) до точки F (6,67% С), будет соответствовать точке С (4,3% С). При этой температуре оставшаяся часть жидкой фазы данного состава кристаллизуется при постоянной температуре с образованием эвтектической механической смеси, содержащей то же количество углерода, что и жидкость, т.е. 4,3%. Эта эвтектика называется ледебуритом. Она состоит из аустенита состава точки Е (2,14% С) и цементита состава точки F (6,67% С) Ж.ФС ЛС(АЕ + Fe3C). Линия ЕСF обозначает постоянную температуру образования эвтектики ледебурита и температуру конца кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 2,14%. Эта линия называется линией эвтектического превращения. Структура сплава, содержащего 4,3% углерода, будет состоять только из ледебурита. В сплавах, расположенных левее точки С, в избытке будет находиться аустенит и структура их после затвердевания будет состоять из первичных кристаллов аустенита и ледебурита; для сплавов, расположенных правее точки С в избытке будет находиться цементит, поэтому структура этих сплавов после затвердевания состоит из первичных кристаллов цементита и ледебурита.
Сплавы, расположенные левее точки Е, после окончания процесса кристаллизации (область АESG) имеют структуру аустенита.
При дальнейшем охлаждении затвердевших железоуглеродистых сплавов ниже линии АECF (линия солидус) происходят процессы, связанные с изменением растворимости углерода в железе и , а также процессы, которые обуславливаются полиморфным превращением железа.
Линия GS показывает температуру начала превращения аустенита в феррит. В сплавах, находящихся левее точки S, при понижении температуры ниже линии GS из аустенита будут выделяться кристаллы феррита.
Линия ЕS представляет собой линию изменения предельной растворимости углерода в аустените в зависимости от температуры. При охлаждении ниже этой линии происходит выделение из аустенита вторичного цементита, а при нагреве на этой линии заканчивается распад вторичного цементита и растворение углерода в аустените. Состав аустенита при понижении температуры будет все время изменяться: в сплавах, находящихся левее точки S, - обогащаться углеродом и изменяться по линии GS; в сплавах, находящихся правее точки S, - обедняться углеродом и изменяться по линии ES.
Ниже линии SECF во всех сплавах при охлаждении из аустенита будет выделяться вторичный цементит по закону линии ES.
При достижении в процессе охлаждения сплавов температуры 727С состав аустенита для всех сплавов будет соответствовать точке S (0,8% С). При этой температуре аустенит будет превращаться в эвтектоидную механическую смесь, состоящую из феррита и цементита, которая называется перлитом: АS ПS (ФP + Fe3C).
Следовательно, линия PSK показывает постоянную температуру образования перлита (эвтектоида) при охлаждении. Линия PSK называется линией эвтектоидного, или перлитного, превращения.
Образование перлита протекает при строго определенной постоянной температуре (727С). Структура сплава, содержащего 0,8% углерода, ниже 727С будет состоять из перлита. В сплавах, расположенных левее точки S, в избытке будет находиться феррит. Структура таких сплавов состоит из феррита и перлита. Количество феррита увеличивается с уменьшением содержания углерода в сплаве. В сплавах, расположенных правее точки S, в избытке будет находиться цементит. С увеличением содержания углерода количество цементита будет расти. Структура этих сплавов будет состоять из перлита и вторичного цементита (от 0,8 до 2,14% С), при этом вторичный цементит выделяется по границам зерен в виде цементитной сетки; перлита, вторичного цементита и ледебурита (от 2,14 до 4,3% С); ледебурита (4,3% С); первичного цементита и ледебурита (от 4,3 до 6,67% С).
Линия GP показывает температуру конца превращения аустенита в феррит. При охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже линии PSK из феррита при понижении температуры будет выделяться третичный цементит. Это связано с уменьшением растворимости углерода в -железе.
Линия PQ показывает температуру начала выделения третичного цементита из феррита. Третичный цементит может присутствовать во всех сплавах, содержащих более 0,006% С, однако как отдельная фаза он находится только в сплавах, содержащих от 0,006 до 0,02% С.
На рис. 6.2 показана диаграмма состояния системы «железоцементит» и приведен ряд сплавов с различной концентрацией углерода. Описание процессов, протекающих в сплавах при их охлаждении из жидкого состояния, приведено в табл. 6.1.
Рис. 6.2. Диаграмма состояния системы «железоцементит»
Влияние углерода на строение и свойства сталей
Сталями называются сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 2,14%. Углерод является важнейшим элементом, определяющим как структуру, так и свойства углеродистых сталей, ее прочность и поведение при производстве деталей и их эксплуатации.
Классификация сталей по структуре. Стальная часть диаграммы состояния «железоцементит» (до 2,14% С) соответствует структуре стали в отожженном (равновесном) состоянии, т.е. после медленного охлаждения сплавов. По структуре в равновесном состоянии стали подрезделяются:
1) на доэвтектоидные, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода. Структура этих сталей состоит из феррита и перлита (табл. 6.1, К2);
2) эвтектоидную, содержащую 0,8% углерода. Структура этой стали состоит из перлита. Зерна перлита состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита (табл. 6.1, К3);
3) заэвтектоидные, содержащие от 0,8 до 2,14% углерода. Структура этих сталей состоит из перлита и вторичного цементита (табл. 6.1, К4).
Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 0,02%, называются техническим железом. Структура их состоит из феррита и небольшого количества третичного цементита (табл. 6.1, К1).
Таблица 6.1 Процессы и микроструктуры железоуглеродистых сплавов при охлаждении
Сплав |
Процессы, происходящие при охлаждении сплава |
Конечная микроструктура |
К1 С0,02% техническоежелезо, х1000 |
12 Охлаждение жидкого сплава 23 Выделение из жидкого сплава кристаллов аустенита: ЖА (перитектическое превращение условно не учитывается) 34 Охлаждение аустенита 45 Превращение аустенита в феррит: АФ 56 Охлаждение феррита 67 Выделение из феррита третичного цементита: Ф+ЦIII |
|
Сплав |
Процессы, происходящие при охлаждении сплава |
Конечная микроструктура |
К3 С=0,8% эвтектоидная сталь, х500
|
12 Охлаждение жидкого сплава 23 Кристаллизация жидкого сплава с образованием аустенита: ЖА 34 Охлаждение аустенита 4 Эвтектоидное превращение: А0,8% С П0,8% С (Ф0,02% С + Ц6,67% С) 45 Выделение из феррита третичного цементита: Ф+ЦIII |
|
К4 С=0,8…2,14%заэвтектоидная сталь, х500 |
12 Охлаждение жидкого сплава 23 Кристаллизация жидкого сплава с образованием аустенита: ЖА 34 Охлаждение аустенита 45 Выделение из аустенита кристаллов вторичного цементита: А+ЦII 5 Эвтектоидное превращение: А0,8% С П0,8% С (Ф0,02% С + Ц6,67% С) 56 Выделение из феррита третичного цементита: Ф+ЦIII |
|
Классификация сталей по содержанию углерода. Чем больше углерода в стали (до 0,9% С), тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность. По содержанию углерода стали подразделяют:
1) на низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,2%(08кп, 10, 15, 20). Они обладают высокой пластичностью и используются для деталей сложной формы, штампуемых из листа, а также для сварных конструкций. Стали марок 10, 15, 20 применяют для изготовления цементуемых деталей;
2) среднеуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,2 до 0,65%. Их используют в термообработанном состоянии для изготовления осей, валов, плунжеров, муфт, бандажей и других аналогичных деталей.
Стали марок 55, 60 с содержанием углерода 0,5...0,6% применяют для изготовления пружин и пружинных деталей (закалка и средний отпуск);
3) высокоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,7% и более (У7, У8, У10, У12) термически обрабатывают на высокую прочность и твердость (закалка и низкий отпуск) и применяют для мерительного и режущего инструментов.
Структура, свойства и применение чугунов
Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14% называются чугунами.
В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки углерод в чугунах может находиться в виде цементита либо в виде графита. В соответствии с этим различают две группы чугунов белые и серые.
Белые чугуны по структуре могут состоять из перлита и ледебурита (доэвтектические чугуны с содержанием углерода до 4,3%), ледебурита (эвтектический белый чугун) и ледебурита и цементита (заэвтектические белые чугуны, содержащие более 4,3% С).
Из-за присутствия в белых чугунах большого количества цементита они тверды и хрупки и для изготовления деталей машин практически не используются. Иногда на некоторых участках чугунных деталей (коренные шейки коленчатых валов, прокатные валки и т.д.) специально получают отбеленный поверхностный слой в целях повышения твердости и износостойкости.
Серые чугуны содержат большую часть углерода в виде графита. По форме графитовых включений они подразделяются на серые, ковкие и высокопрочные. Наличие графита в свободном состоянии приводит к уменьшению прочности, коэффициента трения и амплитуды резонансных колебаний (при этом гасится вибрация).
Серый чугун маркируется буквами: С серый, Ч чугун, например: СЧ10, СЧ15, СЧ18. Цифры обозначают предел прочности чугуна в кгс/мм2. В сером чугуне ледебурит отсутствует, а углерод частично или полностью находится в виде пластинчатого графита (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Серый чугун с пластинчатым графитом: перлитоферритографитная микроструктура, х200
Основная металлическая матрица серого чугуна может состоять из феррита, смеси феррита и перлита или перлита. Соответственно этому подобные чугуны часто называются ферритными, ферритно-перлитными и перлитными. Серые Ф-П чугуны используют для изготовления деталей, испытывающих средние динамические нагрузки (блоки цилиндров двигателей, головки цилиндров, корпуса гидронасосов и др.) и работающих в условиях трения (гильзы цилиндров, барабаны сцепления и др.).
Перлитные серые чугуны применяют для изготовления деталей, работающих при достаточно высоких динамических нагрузках и в условиях трения (шестерни, звездочки, храповики, шпиндели, поршневые кольца и др.).
Ковкий чугун отличается тем, что углерод в нем находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Ковкий чугун с хлопьевидным графитом: ферритографитная микроструктура, х250
Ковкие чугуны получают путем специального отжига белого чугуна. В зависимости от режима отжига основная металлическая матрица может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Образующиеся участки графита имеют вид крупных пятнистых включений неправильной формы с глубоко изрезанными границами.
Ковкий чугун маркируется буквами: К ковкий, Ч чугун, например: КЧ 306, КЧ 3510. Первая цифра обозначает предел прочности чугуна в кгс/мм2, вторая относительное удлинение в %. Ферритно-перлитные и перлитные ковкие чугуны применяют для изготовления деталей, работающих при высоких статических и динамических нагрузках и в тяжелых условиях износа (муфты, звездочки и звенья приводных цепей, тормозные колодки, коленчатые валы, лопасти центробежных дробеметных барабанов и др.).
Высокопрочный чугун характеризуется тем, что углерод в нем в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита (рис. 6.5).
Такие чугуны получают путем добавки в жидкий чугун перед разливкой небольших количеств определенных элементов (Mg, Zr, Ge и др.), которые изменяют условия кристаллизации. Графит имеет почти правильную шаровидную форму с четко очерченными границами.
Рис. 6.5. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом: перлитоферритографитная микроструктура, х200
Основная структура обычно представляет собой перлит. Иногда вокруг графита наблюдается оболочка феррита.
Высокопрочный чугун маркируется буквами: В высокопрочный, Ч чугун, например: ВЧ 35, ВЧ 70. Цифра обозначает предел прочности чугуна в кгс/мм2. Высокопрочные чугуны применяют для изготовления ответственных деталей, испытывающих знакопеременные динамические нагрузки (коленчатые валы двигателей, кронштейны, шестерни, тормозные диски, прокатные валки и др.).
Задание и методические рекомендации
1. Изучить диаграмму состояния «железоцементит», на ее графическом изображении обозначить области существования соответствующих структур и фазовый состав сплавов.
2. Указать значения линий и точек диаграммы.
3. Дать определение и характеристику свойств основных фаз и двухфазных структур железоуглеродистых сплавов.
4. Для заданного сплава построить кривую охлаждения и указать, какие превращения происходят при охлаждении.
5. Изучить под микроскопом или на компьютере микроструктуру сталей с различным содержанием углерода. Зарисовать микроструктуру. В соответствии с диаграммой определить основные структурные составляющие и обозначить их на рисунках. Пользуясь справочными таблицами, указать основные механические характеристики сталей и их применение.
6. По структуре отоженной стали определить процентное содержание углерода. Например, в доэвтектоидной стали содержится 20% перлита и, следовательно, 80% феррита (определяем на глаз под микроскопом или по микрофотографии). При приближенном расчете, не учитывая содержания углерода в феррите, считают, что весь углерод находится только в перлите. В этом случае количество углерода в стали определяется так:
100% перлита содержат 0,8% С, 20% перлита содержит х1 % С.
Тогда х1= = 0,16% С.
При более точном определении содержание углерода в стали, особенно в малоуглеродистой, необходимо учитывать углерод, содержащийся в феррите и в третичном цементите, который определяется следующим образом: 100% феррита содержат 0,025% С (при 727С),
80% феррита содержат х2% С. Тогда
х2= = 0,02% С.
Содержание углерода в стали равно сумме: х1+х2.
Если сталь заэвтектоидная и ее структура содержит 95% перлита и 5% вторичного цементита, содержание углерода в стали определяется так:
100% перлита содержат 0,8% С, 95% перлита содержат х1 % С.
Тогда х1= = 0,76 % С;
100% цементита содержат 6,67% С, 5% цементита содержат х2% С. Тогда х2== 0,33% С.
Содержание углерода в стали равно х1+х2.7. Рассмотреть классификацию и способы производства различных чугунов. Изучить под микроскопом или на компьютере структуру различных марок чугунов, зарисовать ее в таблице с обозначением основных фаз и структур. Указать основные механические характеристики и применение различных чугунов.
Контрольные вопросы
1. Какие фазы и сложные структуры образуются в железоуглеродистых сплавах?
2. Как называются линии, точки и отдельные области диаграммы "железоцементит"?
3. Как изменяется структура сталей в равновесном состоянии по мере увеличения содержания в ней углерода? Как классифицируются стали по структуре?
Как классифицируются стали по содержанию в них углерода?
Как они маркируются?
5. Как изменяются свойства сталей в зависимости от их структуры и содержания углерода? Указать области применения сталей с различным содержанием углерода.
6. Как изменяются свойства чугуна в зависимости от их структуры? Указать области применения серых, ковких и высокопрочных чугунов.
Лабораторная работа № 7
Термическая обработка углеродистых сталей
Цель работы
1. Ознакомиться с различными видами термической обработки углеродистых сталей и их назначением.
2. Разобраться в сущности упрочняющей термической обработки сталей (закалка и отпуск). Научиться правильно выбирать режимы нагрева сталей под закалку по диаграмме состояния "железоцементит".
3. Изучить способы и технологию закалки сталей, их преимущества и недостатки.
4. Экспериментально определить влияние на закаливаемость сталей: а) их состава (содержания углерода); б) скорости непрерывного охлаждения из аустенитной области.
5. Экспериментально исследовать влияние отпуска при различной температуре на структуру и свойства закаленной стали.
6. Изучить с помощью металлографического микроскопа микроструктуру сталей после различных видов термической обработки.
Содержание работы
Теория термической обработки сталей базируется на четырех основных превращениях:
1) превращение перлита в аустенит при нагреве выше точек А1 или А3;
2) превращение аустенита в перлит при охлаждении ниже точек А1, А3 (изотермический распад аустенита и распад аустенита при непрерывном охлаждении);
3) превращение аустенита в мартенсит при закалке сталей;
4) превращения мартенсита и остаточного аустенита при нагреве (отпуск сталей).
Для полного или частичного перевода сталей в структурно-равновесное состояние применяют различные виды отжига.
Отжигом называют такой вид термической обработки, при котором сталь нагревают ниже или выше температуры критических точек, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают.
Отжиг I рода проводят при температурах выше или ниже температур фазовых превращений. К отжигу I рода относятся диффузионный отжиг (гомогенизация), рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия внутренних напряжений. Этот вид термообработки в зависимости от температурных условий его выполнения устраняет химическую или структурную неоднородность, созданную предшествующими обработками.
Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек А1 или А3, выдержке и, как правило, последующем медленном охлаждении (вместе с печью). При этом виде отжига протекают фазовые превращения, определяющие структуру и свойства стали. Для сталей проводят следующие виды отжига: полный отжиг с температурой нагрева доэвтектоидных сталей выше температуры А3 и заэвтектоидных сталей выше температуры А1 и неполный отжиг, когда температура выше А1, но ниже А3. Структура сталей после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит. Отжиг II рода применяют для получения равновесной структуры в целях снижения твердости, повышения пластичности и вязкости стали; улучшения обрабатываемости; измельчения зерна.
Нормализация (рис. 7.3, режим V4) заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку А3 на 40…50С, заэвтектоидной стали до температуры выше критических точек Аст также на 40…50С, в непродолжительной выдержке для завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Углеродистые стали после нормализации несколько прочнее, чем после отжига. Их пластичность при этом ниже максимально возможной. Так как при производстве полуфабрикатов (прутков, уголков, швеллеров, листов, полос и др.) методами горячей обработки давлением после деформации их охлаждение происходит на воздухе, то структура и свойства таких полуфабрикатов соответствуют нормализованному состоянию, что обычно указывается в справочниках.
Настоящая работа посвящена упрочняющим видам термической обработки углеродистых сталей закалке и отпуску.
Закалка это термическая операция, состоящая из нагрева стали до температуры аустенитного состояния, выдержки при этой температуре с последующим охлаждением со скоростью больше критической в целях получения структурно-неустойчивого состояния. В результате закалки аустенит превращается в мартенсит.
Мартенсит представляет собой пересыщенный (неравновесный) напряженный твердый раствор углерода в -железе (рис. 7.1).
Уровень пересыщенности определяется содержанием в стали углерода и характеризуется понятием «степень тетрагональности мартенсита» с/а, где с наибольшее ребро, а наименьшее ребро искаженной ОЦК кристаллической решетки мартенсита.
Таким образом, закаливаемость способность сталей упрочняться закалкой зависит от содержания в стали углерода. Закаливаемыми считаются средне- и высокоуглеродистые стали (начиная с содержания в стали 0,25% С и более).
Рис. 7.1. Мелкоигольчатый мартенсит, х500. Сталь марки У8
Определение режимов нагрева сталей под закалку
Для назначения режимов нагрева сталей под закалку используется диаграмма «железоцементит».
Целью нагрева является получение аустенитной структуры. При этом цементит должен распасться, а углерод равномерно раствориться во всем объеме аустенита. Доэвтектоидные стали нагреваются выше критических точек А3 на 30...50С (Ас3), а заэвтектоидные выше А1 на 30...50°С (Ас1).
Нагрев до более высоких температур вызывает рост зерна аустенита, увеличение уровня внутренних напряжений в сталях при закалке, возможное коробление, трещинообразование и поэтому нежелателен. Практически время выдержки для углеродистых сталей выбирается из расчета одна минута на каждый миллиметр сечения детали.
Наиболее существенное влияние на свойства стали оказывает скорость охлаждения. Изменяя скорость охлаждения, можно изменить структуру и свойства стали. Различные закалочные среды обеспечивают следующие скорости охлаждения в интервале температур 650...550С: вода при температуре 18°С 600 град/с; вода при температуре 74°С 300 град/с; минеральное машинное масло 150 град/с; трансформаторное масло 120 град/с; спокойный воздух 3 град/с.
Как было отмечено ранее, для превращения аустенита в мартенсит деталь необходимо охлаждать со скоростью больше критической. При этом распад аустенита не успевает начаться, и при температуре ниже температуры начала мартенситного превращения (Мн) протекает бездиффузионное превращения аустенита в мартенсит. Критическая скорость закалки – это минимальная скорость охлаждения, при которой образуется мартенсит. Эта скорость представляет собой касательную к линии начала распада аустенита на диаграмме его изотермического распада. На этой же диаграмме удобно графически изобразить различные способы закалки (координаты: температуравремя, рис. 7.2).
Рис. 7.2. Схема диаграммы изотермического распада аустенита для стали У8 с нанесенными на ней режимами охлаждения при различных способах закалки
Время сквозного прогрева, максимальная температура нагрева и время выдержки стальных деталей при нужной температуре определяются составом стали, формой и размерами закаливаемых деталей. Способы закалки характеризуются различными режимами охлаждения при закалке.
Непрерывная закалка (1) предусматривает охлаждение сталей в одной среде (воде, масле или любой другой, обеспечивающей охлаждение со скоростью больше Vкр). В результате в стали образуется мартенситная структура. Но так как мартенситное превращение протекает быстро и сопровождается увеличением объема, то в деталях высок уровень внутренних напряжений, возможно трещинообразование, коробление и другие дефекты.
Прерывистая закалка (2) это закалка в двух средах. Сначала сталь охлаждается в среде с большей скоростью охлаждения до температуры несколько выше Мн, а далее со значительно меньшей скоростью. Это может быть, например, закалка из воды в масло. Мартенситное превращение в этом случае протекает медленнее, что приводит к снижению уровня внутренних напряжений, уменьшению коробления и трещинообразования.
Ступенчатая закалка (3) предусматривает охлаждение с большой скоростью до температуры несколько выше Мн , изотермическую выдержку при этой температуре в пределах инкубационного периода (не доходя до линии начала изотермического распада аустенита) и последующее довольно медленное охлаждение. Этот способ практически не имеет недостатков, присущих предыдущим способам. Перед мартенситным превращением температура детали выравнивается во всем объеме. Мартенситное превращение протекает одновременно во всем объеме детали с умеренной скоростью.
Закалка с самоотпуском может осуществляться при закалке массивных деталей. Охлаждение проводится по одному из вышеназванных способов до образования в поверхностном слое мартенсита, но охлаждение деталей прекращается в тот момент, когда внутренние слои деталей имеют еще довольно высокую температуру и определенный запас тепла. Этого тепла должно быть достаточно для прогрева всей детали до желаемой температуры, при которой и протекает отпуск. Способ требует высокой квалификации термиста или регламентированной по времени механизации процесса извлечения деталей из закалочной ванны, но не требует затрат тепла на процесс отпуска. Закалка и отпуск выполняются с одного нагрева.
Изотермическая закалка (4) проводится так же, как и ступенчатая, но выдержка при температуре несколько выше Мн длительная (до полного распада аустенита с образованием бейнита нижнего (рис. 7.3)).
Изотермическая выдержка может осуществляться в расплавах солей, щелочей или в термостатах. Этот способ закалки, как правило, не требует отпуска, а детали со структурой нижнего бейнита имеют повышенную конструкционную прочность и удельную ударную вязкость.
Рис. 7.3. Бейнит нижний (игольчатый), х1000
Обработка сталей холодом. В высокоуглеродистых (С 0,6%) и легированных сталях температура конца мартенситного превращения ниже комнатной. При охлаждении деталей при закалке до комнатной температуры мартенситное превращение останавливается и не доходит до конца. В результате закалки кроме мартенсита в структуре частично может присутствовать остаточный аустенит (Аост)(рис.7.4).
Рис. 7.4. Мартенсит