Критические температуры чугуна и стали

Нагрев стали и чугуна под заливку и термическую обработку, а также нагрев стали для обработки давлением производят с учетом особых температур или критических точек этих спла­вов. Критические точки свойственны не только стали и чугуну — они имеются у всех сплавов, а также у ряда веществ. Всем, например, известно, что вода, если ее охлаждать, при 0 °С превращается в твер­дое тело — лед, а если нагревать лед, то он при той же температуре (0 °С) превратится в жидкость. При 100 °0 и нормальном атмос­ферном давлении вода закипает и начинает бурно превращаться в пар. Температуры 0 и 100 °С для воды являются критическими точками. Таким образом, критическими точками называются те вполне определенные температуры, при которых в процессе нагре­ва или охлаждения начинает (заканчивает) резко, скачкообраз­но изменяться состояние (твердое или жидкое) и свойства сплава (или какого-нибудь вещества). У сталей и чугунов в процессе на­грева и охлаждения наблюдается несколько критических точек. В качестве примера рассмотрим критические температуры стали, содержащей 0,2 % углерода (сплав I рисунок 9.3).

При температуре около 1550 °С эта сталь находится в жидком состоянии. При охлаждении до температуры, соответствующей точке 1, лежащей на линииАС (которая характеризует начало затвердева­ния всех сплавов с содержанием углерода от 0 до 4,3 %), указан­ная сталь начнет кристаллизоваться. При данной температуре в жидкой стали появится новое вещество (новая фаза) — твердые кристаллы аустенита. Этот момент и будет первым критическим моментом, характеризующим изменение состояния стали при ее ох­лаждении, а точка 1 будет первой критической точкой (точкой начала кристаллизации). При температуре, соответствующей точке 2, затвердевание стали полностью закончится, жидкое вещество (жид­кая фаза) исчезнет, вся сталь перейдет в твердое состояние, при котором она будет состоять из кристаллов одной твердой струк­турной составляющей (фазы) — кристаллов аустенита. Это будет вторым критическим моментом изменения состояния стали при охлаждении — моментом исчезновения жидкой части, а точка 2 будет второй критической точкой (точкой конца затвердевания).

В большом интервале температур — от точки 2 до точки 3 — однородная структура аустенита совершенно устой­чива. В этом интервале температур он не подвергается структур­ным изменениям. Но при температуре, соответствующей точке 3, аустенит оказывается перенасыщенным железом. При этой темпе­ратуре он начинает распадаться, выделяя по границам своих зерен новую твердую структурную составляющую (новую фазу) — фер­рит (железо), обладающий по сравнению с аустенитом, из которого он выделился, совершенно иными свойствами.

I — 1, 2, 3, 4; II — 5, 6, 7, 8; III — 9, 10, 11; IV — 12, 13, 14

Рисунок 7.3 – Критические точки на диаграмме состояния Fe—Fe₃C в сплавах

Следовательно, твер­дая сталь при температуре, соответствующей точке 3, из однород­ной (гомогенной) по своей структуре превращается в неоднород­ную (гетерогенную), состоящую не из одних кристаллов аустенита, а из смеси кристаллов аустенита и кристаллов феррита. Этот мо­мент будет третьим критическим моментом изменения состояния структуры стали при ее охлаждении, а точка 3 будет третьей кри­тической точкой данной стали (точкой начала распада твердого раствора — аустенита).

При температуре, соответствующей точке 4, аустенит стали, вы­деливший весь избыток феррита в интервале температур от точки 3 до точки 4 и содержащий 0,81 % углерода, перестанет существо­вать и полностью превратится в перлит. Следовательно, при тем­пературе, соответствующей точке 4 (727 °С), в структуре стали, содержащей 0,2 % углерода, произойдут коренные изменения. Пол­ностью исчезнет аустенит (немагнитная структурная составляю­щая), а на его месте и из него образуется новая структурная со­ставляющая сложного строения — перлит, состоящий из пластин­чатых кристаллов феррита и таких же кристаллов новой твердой фазы — карбида железа Fe₃C или цементита. Поэтому точка 4 также будет критической (перлитной) точкой данной стали. Дальнейшее охлаждение стали, содержащей 0,2 % углерода (от 727 °С до комнатных температур), не приведет к видимым под микро­скопом изменениям ее структуры.

Для стали, содержащей 1,3 % углерода (заэвтектоидная сталь), критическими точками при охлаждении будут: точка 5, соответ­ствующая началу кристаллизации (она характеризует начало по­явления твердых кристаллов аустенита); точка 6, характеризую­щая конец затвердевания стали (при температуре, соответствую­щей этой точке, исчезнет жидкая фаза, вся сталь будет состоять только из кристаллов аустенита); точка 7 — начало распада аус­тенита (из аустенита выделяется новая структурная составляю­щая — цементит); точка 8 — конец распада аустенита (при темпе­ратуре, соответствующей этой точке, аустенит в структуре стали полностью исчезает, из него образуется новая структурная составля­ющая — перлит). Таким образом, в точке 8 в стали, содержащей 1,3 % углерода, происходит то же самое, что и в стали, содержащей 0,2 % углерода, в точке 4 (при одной и той же температуре 727 °С). При дальнейшем охлаждении стали, содержащей 1,3 % углеро­да (ниже температуры точки 8), изменений в структуре не проис­ходит.

В чугунах наблюдаются аналогичные явления. Покажем это на примере доэвтектического чугуна, содержащего 3 % углеро­да (сплав III). В точке 9 чугун начинает затвердевать — в жидком чугуне появляются твердые кристаллы аустенита. В точке 10 за­канчивается кристаллизация — жидкость исчезает, образуется но­вая твердая структурная составляющая сложного строения — ле­дебурит (эвтектика), состоящий из смеси мелких кристаллов аусте­нита и цементита. В точке Л из аустенита чугуна в процессе его охлаждения (от 1147 до 727 °С) выделяется весь избыток цемен­тита. При достижении содержания углерода 0,81 % при темпера­туре 727 °С, аустенит полностью исчезает, превращаясь в новую структурную составляющую — перлит. Следовательно, и в чугуне при температуре 727 °С наблюдаются те же явления, что и во всех сталях, — образование перлита. Дальнейшее охлаждение (ниже температуры точки II) не вызывает изменений в структуре чугу­на. Таким образом, при температурах, соответствующих критическим точкам, в процессе охлаждения сталей и чугунов проис­ходят весьма существенные структурные превращения, резко из­меняющие все их свойства.

Критические точки важно знать при отливке и ковке металлов. При термической обработке особое значение имеют те критические точки, которые характеризуют начало или конец структурных пре­вращений, совершающихся в стали и чугуне при нагреве и охлаж­дении в твердом состоянии.

Из сказанного выше следует, что критические точки тесно свя­заны с линиями диаграммы состояния железоуглеродистых спла­вов, более того, эти линии соединяют критические точки, лежащие в пределах диаграммы, весьма большого числа сплавов. На линии GS из аустенита доэвтектоидных сталей при охлаждении начина­ет выделяться феррит. При этом чем больше в доэвтектоидной стали углерода, тем ниже температура начала распада аустенита. В заэвтектоидных сталях, содержащих больше углерода (от 0,81 до 2,14 %), на наклонной линии ES начинается распад аустени­та (при этом из аустенита выделяется не феррит, а цементит). Он начинается при тем более низкой температуре, чем меньше углерода содержится в заэвтектоидных сталях. В эвтектоидной стали, соответствующей по своему составу (0,81 % углерода) точке S, в которой пересекаются наклонные линии GS и ES, распад аусте­нита начинается при самой низкой температуре (727 °С) с одновре­менным выделением из аустенита мелких кристаллов (пласти­нок) феррита и цементита (смесь этих пластинок, как известно, образует сложную структурную составляющую — перлит). Крити­ческие точки, характеризующие начало распада аустенита сталей при охлаждении, называются верхними критическими точками (А₃, А_ст). Они лежат на линиях GS и ES диаграммы. Критические точки, которые при медленном охлаждении стали и чугуна характе­ризуют момент полного распада аустенита, т. е. момент образования перлита, для всех сталей и всех чугунов при одной и той же тем­пературе лежат на линии PSK диаграммы. При медленном охлажде­нии эта температура равна 727 °С. Критические точки, характери­зующие при охлаждении полный распад аустенита и образование перлита из аустенита, называются нижними критическими точка­ми или точками перлитного превращения (А₁).

Для эвтектоидной стали, содержащей 0,81 % углерода, верхняя и нижняя критические точки совпадают в точке S, поэтому темпе­ратура начала и конца распада аустенита у этой стали будет одна и та же (727 °С). Все другие стали (за исключением стали, содержа­щей 0,81 % углерода) между верхней и нижней критическими точками имеют определенный температурный интервал. В этом интервале, начинающемся при температуре верхней критической точки и заканчивающемся при температуре нижней критической точки, и совершаются структурные превращения в твердой стали при ее охлаждении. Этот температурный интервал называется кри­тическим интервалом.

При нагреве железоуглеродистых сплавов все процессы структур­ных изменений осуществляются в обратном порядке. Так, в доэвтек­тоидных сталях в процессе их нагрева при температуре нижней кри­тической точки (727 °С) перлит переходит в аустенит, при этом тем­пература стали не повышается до тех пор, пока весь перлит не превра­тится в аустенит. При нагреве стали от нижней до верхней критической точки (в критическом интервале) происходит постепенное растворе­ние феррита стали в аустените. В верхней критической точке (линия GS) растворение феррита полностью заканчивается: феррит в струк­туре стали исчезает, образуется однородная структура — аустенит.

В заэвтектоидных сталях при нагреве наблюдается то же са­мое, но с некоторой разницей: при температуре нижней критической точки (727 °С), как и в доэвтектоидных сталях, перлит превра­щается в аустенит, но при дальнейшем нагреве в критическом ин­тервале (между нижней и верхней критическими точками) в аусте­ните происходит растворение не феррита, как у доэвтектоидных ста­лей, а цементита. При температуре, соответствующей верхней кри­тической точке (линия ES), растворение цементита в аустените полностью заканчивается (при медленном нагреве) и заэвтектоидная сталь становится однородной по структуре, состоящей из крис­таллов одного аустенита.

Чугуны в твердом состоянии имеют только одну, нижнюю кри­тическую точку при температуре 727 °С (линия PSK). При этой температуре в чугунах, как и во всех сталях, при нагреве перлит переходит в аустенит. При дальнейшем нагреве твердого чугуна (линия ECF диаграммы — линия начала плавления чугуна) в аус­тените происходит постепенное растворение углерода (цементита), выпавшего из него при охлаждении (наклонная линия CD). Одна­ко растворение цементита в аустените твердого чугуна полностью не завершается, так как прежде чем твердый чугун достигнет этого критического состояния (полного растворения в аустените цемен­тита), он начнет плавиться. Таким образом, в твердом чугуне не­возможно существование верхней критической точки.

Положение критических точек у железоуглеродистых сплавов за­висит не только от содержания в них углерода, но и от скорости их охлаждения, а у специальных сталей и чугунов — также и от содер­жания в них легирующих элементов. Чем больше скорость ох­лаждения, тем ниже температуры критических точек чугуна и стали. Поэтому для каждой марки стали температуры критичес­ких точек устанавливают при определенной скорости охлажде­ния (с помощью специальных приборов — дилатометров). Скорость же нагрева на положение критических точек практически не ока­зывает влияния, за исключением весьма больших скоростей (на­пример, при нагреве стали под поверхностную закалку токами вы­сокой частоты весьма большие скорости нагрева приводят к силь­ному повышению температуры критических точек).

Критические точки нагрева и охлаждения для стали и чугуна в твердом состоянии принято обозначать особыми символами. Кри­тические точки доэвтектоидных сталей, содержащих меньше 0,81 % углерода, обозначаются: нижнюю точку — А_с1 при нагреве и А_r1 при охлаждении; верхнюю — А_с3 при нагреве и А_r3 при охлажде­нии. Верхние критические точки заэвтектоидных сталей, содержа­щих больше 0,81 % углерода, обозначают: А_ст при нагреве и А_ст при охлаждении. Верхняя и нижняя критические точки эвтекто­идной стали, содержащей 0,81 % углерода, совпадают, и их обозна­чают: А_с1,3 при нагреве и А_r3 при охлаждении. Нижнюю кри­тическую точку чугунов в твердом состоянии обозначают: А_с1 при нагреве и А_r1 при охлаждении.

Знание механизма образования и изменения структуры желе­зоуглеродистых сплавов в процессе их медленного нагрева и охлаждения, а также важнейших положений об их критических температурах имеет большое значение при изучении основ тер­мической обработки стали.