Производство деталей из металлических порошков 3 страница

К положительным качествам углеродистых сталей относится их достаточно высокий комплекс механических свойств, который обеспечивается проведением термической обработки. Углеродистые стали имеют хорошие технологические свойства. Они недефицитны и дешевы.

Основным недостатком углеродистых сталей является их низкая прокаливаемость (до 15 мм).

1.4.3 Чугуны

1.4.3.1 Общие сведения

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, количество которого превышает 2,14%. Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь, однако не менее чем 20% выплавляемого чугуна используют для изготовления литых деталей.

Чугуны отличаются высокими литейными свойствами и являются одними из основных современных литейных материалов. Около 75% всех отливок изготавливают из чугуна. Более низкая по сравнению со сталями температура плавления и завершение кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают более высокие литейные характеристики: жидкотекучесть и заполняемость формы, усадку и меньшую склонность к образованию усадочных трещин.

Из-за низкой пластичности чугуны не подвергаются обработке давлением.

В зависимости от химического состава и условий кристаллизации углерод в чугунах может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита. В соответ-ствии с этим различают белые чугуны (углерод находится в виде цементита) и серые ( углерод находится в виде графитных включений).

В белых чугунах фазовые превращения происходят в соответствии с диаграммой Fe-Fe3C. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические (2,14…4,3%С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (4,3…6,67%С).

В доэвтектических чугунах структурными составляющими при комнатной температуре являются перлит, ледебурит и цементит; в эвтектических – ледебурит; в заэвтектических – ледебурит и цементит.

Белые чугуны имеют высокую твердость (450…550НВ и выше), обусловленную наличием в них большого количества цементита. Одно-временно с высокой твердостью для белых чугунов характерна высокая хрупкость, что исключает их использование для изготовления деталей машин. Находят применение отливки из белых чугунов, которые служат для получения деталей из ковкого чугуна путем проведения графитизирующего отжига. Также находят применение отливки с поверхностным слоем (12…30 мм) из белого чугуна и сердцевиной из серого чугуна. Наличие «отбеленного» поверхностного слоя обеспечивает высокую изностойкость такой отливки.

Промышленное значение имеют серые чугуны, в которых углерод находится в виде графитных включений, и поэтому важное значение приобретают условия их образования, т. е. процесс графитизации.

Графит содержит 100% углерода, а концентрация углерода в цементите составляет всего 6,67%. Кристаллические структуры аустенита и графита существенно различаются, в то время, как кристаллические структуры аустенита и цементита более подобны по своему строению. Поэтому образование цементита из жидкой фазы и из аустенита должно протекать легче, чем графита, поскольку работа образования зародыша и необходимые для этого диффузионные процессы не столь значительны.

Однако смесь феррит + графит или аустенит + графит облада-ет меньшой свободной энергией, чем смесь феррит + цементит или аустенит + цементит, следовательно, термодинамические факторы способствуют образованию не цементита, а графита.

В силу перечисленных обстоятельств при быстром охлаждении и затруднении диффузионных процессов происходит образование цементита, а при медленном охлаждении определяющим является стремление к минимизации свободной энергии, что приводит к образованию графита.

Серые чугуны различаются по форме графитных включений. Гра-фит, который образуется в чугунах в процессе кристаллизации и последующего охлаждения имеет пластинчатую форму, а чугуны с таким графитом называются собственно серыми.

Образование графита вследствие распада цементита имеет место не только при кристаллизации и охлаждении, но и при нагреве белого чугуна до высоких температур. Это явление используется при производстве так называемого ковкого чугуна. В этом случае центры графитизации растут более или менее равномерно во все стороны и образуются графитные включения хлопьевидной формы. Чугун с таким графитом называют ковким чугуном.

Чугун с шаровидной формой графита, которую получают вследствие модификации магнием и церием, называют высокопрочным чугуном.

Чугуны, так же как и стали, являются многокомпонентными сплавами, в состав которых входят Fe, C, Si, Mn, P и S.

Углерод оказывает определяющее значение на качество чугунов, изменяя литейные свойства и количество графитных включений. Чем выше его концентрация, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна, поэтому содержание углерода в промышленных чугунах не превышает 3,8%. Нижний предел содержания углерода составляет 2,4% и лимитируется необходимостью обеспечения достаточных литейных свойств.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием, он спо-собствует выделению графита в процессе затвердевания и разложению уже образовавшегося цементита. Содержание кремния в чугунах колеб-лется от 0,3 до 5%.

Марганец затрудняет протекание процессов графитизации и незначительно улучшает механические свойства чугунов. Количество марганца в чугунах может изменяться в пределах 0,5…1%.

Сера по своей отбеливающей способности в 5 - 6 раз превосходит марганец. Кроме этого, сера снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин. Поэтому сера является вредной примесью и её содержание в чугунах не превышает 0,15%.

Фосфор практически не влияет на графитизацию. Его предельная растворимость в феррите составляет 0,3%. При большем содержании фосфор образует с железом и углеродом тройную фосфидную эвтектику с температурой плавления 950оС, что увеличивает жидкотекучесть чугунов. Однако эта эвтектика имеет высокую твердость и хрупкость, поэтому повышенное содержание фосфора в отливках до 0,7% допускается лишь при необходимости обеспечения высокой изностойкости. Для художественного литья используются чугуны с содержанием фосфора до 1%.

Из легирующих элементов степень графитизации увеличивают ни-кель и медь, а хром затрудняет процесс образования графита.

Графитные включения влияют на механические свойства отливок, поскольку могут рассматриваться как пустоты соответствующей формы, возле которых концентрируются напряжения. Величина этих напряжений тем больше, чем острее дефект, поэтому в наибольшей мере разупрочняется металл при наличии графитных включений пластинчатой формы, менее опасной является хлопьевидная форма графита, а наиболее приемлемой – шаровидная форма графита. Наибольшее влияние графитные включения оказывают на сопротивление материалов разрушению при жестких способах нагрузки (ударных и растягивающих) и практически не влияют при действии сжи-мающих нагрузок. Наименьшую пластичность имеют чугуны с пластинчатым графитом (δ = 0,2...0,5%), промежуточную (δ = 5...10%) – с хлопьевидным графитом и наибольшую – с шаровидным графитом (δ £ 15%).

По структуре металлической основы серые, ковкие и высокопрочные чугуны подразделяются на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные.

Металлическая основа в чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает серый ферритный чугун.

Как конструкционный материал чугуны обладают следующими положительными свойствами. Наличие графита улучшает обработку резанием, поскольку стружка ломается на графитных включениях. По сравнению со сталью чугуны имеют лучшие антифрикционные свойства, в силу того, что графитные включения сами являются смазкой. Чугун прекрасно гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость благодаря микропустотам, которые заполнены графитом. Детали из чугуна не столь чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям и т. п.) по сравнению со стальными деталями. Чугуны дешевле сталей из-за более простой технологии производства.

1.4.3.2 Серые чугуны

Для изготовления отливок предусматриваются следующие марки чугуна: СЧ10; СЧ15; СЧ20; СЧ25; СЧ30; СЧ35. Возможно изготовление чугуна марок СЧ18, СЧ21, СЧ24. Условное обозначение марки включает буквы СЧ – серый чугун и цифры, которые указывают наименьшее допустимое значение предела прочности при растяжении в МПа, уменьшенное в 10 раз.

Химический состав серых чугунов приведен в таблице 3. Структура металлической основы серых чугунов зависит от количества углерода и кремния. С повышением содержания этих элементов увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритной структуры металлической основы. Другим фактором, влияющим на структуру, есть скорость охлаждения чугуна, которая зависит от толщины стенки отливок и материала формы.

Модифицирование в значительной степени уменьшает влияние толщины стенок отливок на структуру и свойства чугуна. При модифицировании устраняется цементитная фаза и образуется небольшое количество изолированных графитных включений средней величины. Для модифицирования используют чугуны с пониженным содержанием углерода и кремния (С = 2,8...3,2%, Si = 1...1,5%). В качестве модификаторов используют ферросилиций, силикокальций, алюминий.

Таблица 3 – Механические свойства и химический состав

серых чугунов

Марка чугуна sв,

МПа НВ С, % Si, % Mn,% P, % S, %

СЧ10 ³ 100 £ 190 3,5 - 3,7 2,2 -2,6 0,5 -0,8 £ 0,3 £0,15

СЧ15 ³ 150 £ 210 3,5 - 3,7 2,0 -2,4 0,5 -0,8 £0,2 £0,15

СЧ20 ³ 200 £ 230 3,3 - 3,5 1,4 -2,4 0,7 -1,0 £0,2 £0,15

СЧ25 ³ 250 £ 245 3,2 - 3,4 1,4 -2,4 0,7 -1,0 £0,2 £0,15

СЧ30 ³ 300 £ 260 3,0 - 3,2 1,3 -1,9 0,7 -1,0 £0,2 £0,12

СЧ35 ³ 350 £ 275 2,9 - 3,0 1,2 -1,5 0,7 -1,1 £0,2 £0,12

Примечание. Значения временного сопротивления при растяжении и твердости приведены для отливок с толщиной стенки 15 мм.

Серые чугуны используются в станкостроении для изготовления корпусных деталей, зубчатых колес, станин, а в автомобилестроении – для блоков цилиндров, гильз, поршневых колец, распределительных валов, головок цилиндров, дисков сцепления. Из серых чугунов изготавливают сантехнические и бытовые приборы, радиаторы отопления, элементы печной арматуры и т.п.

1.4.3.3 Высокопрочные чугуны

В их маркировке буквы "ВЧ" обозначают высокопрочный чугун, цифры – наименьшее значение предела прочности при растяжении в МПа, уменьшенное в десять раз. Чем больше прочность высокопрочных чугунов, тем ниже их пластичность.

Механические свойства высокопрочных чугунов представлены в таблице 4. Химический состав высокопрочных чугунов приблизительно следующий: 3,1...3,2% С, 2,6...2,9% Si, 0,6...0,8% Mn, 0,12% Р, 0,03% S, 0.02..0.03% Мg или Си.

Таблица 4 –Механические свойства высокопрочных чугунов

Марка чугуна sв,

МПа s0,2,

МПа δ, % Твердость, НВ

ВЧ35 350 220 22 140 - 170

ВЧ40 400 250 15 140 - 202

ВЧ45 450 310 10 140 - 225

ВЧ50 500 320 7 153 - 345

ВЧ60 600 370 3 192 - 277

ВЧ70 700 420 2 228 - 302

ВЧ80 800 480 2 248 - 351

ВЧ100 1000 700 2 270 - 360

У высокопрочных, по сравнению с серыми чугунами, наблюдаются более высокая жидкотекучесть, низкая усадка (до 1%), более высокий модуль упругости. Обрабатываемость резанием высокопрочного чугуна при эквивалентной твердости выше, чем отливок из серого чугуна. Высокопрочные чугуны имеют удовлетворительную свариваемость.

Чугунные валы из высокопрочных чугунов по сравнению со стальными имеют более высокую циклическую вязкость и лучшие антифрикционные свойства. Они малочувствительны к внешним концентраторам напряжений и более дешевые, чем стальные. Из высокопрочного чугуна изготовляют также валки прокатных станов, детали турбин и др.

1.4.3.4 Ковкие чугуны

Ковкий чугун получают отжигом отливок из белого чугуна, в структуре которых не должно быть следов графитизации. Для обеспечения этого условия белые чугуны в своем составе имеют пониженное количество углерода и кремния по сравнению с серыми и высокопрочными чугунами.

Формирование конечной структуры и свойств отливок из ковкого чугуна проиcходит во время отжига (рис.7). Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000оС в течение 15-20 часов. При этом происходит превращение цементита в графит и структура после выдержки состоит из аустенита и графита. Этот этап называется первой стадией графитизации.

При последующем медленном охлаждении или выдержке при тем-пературах 700...720°С происходит превращение в графит цементита, входящего в состав перлита, образовавшегося в результате эвтектоидного превращения аустенита (вторая стадия графитизации). Структура чугуна после отжига состоит из феррита и графитных включений и, таким образом, получается ковкий ферритный чугун.

Рисунок 7 – График графитизирующего отжига отливок из белого чугуна для получения ковкого чугуна

В случае быстрого охлаждения с температуры отжига полностью устраняется вторая стадия графитизации и получается ковкий перлитный чугун. Отжиг является продолжительной и дорогой операцией технологического процесса производства отливок из ковкого чугуна.

Существует 11 марок ковких чугунов (табл. 5). Первые четыре марки – с ферритной, последующие семь марок – с перлитной металлической основой. В маркировке буквы КЧ обозначают ковкий чугун, первая цифра определяет минимальное значение предела прочности в МПа, уменьшенное в 10 раз, а вторая – минимальное значение относительного удлинения в процентах.

Недостатком ковкого чугуна, по сравнению с высокопрочным чугуном, является ограничение толщины стенок для отливок из ковкого чугуна и необходимость проведения дорогостоящего отжига.

Таблица 5 – Механические свойства и химический состав ковких чугунов

Марка чугуна sв, МПа δ,

% Твердость,

НВ С, % Si, % Mn, % P,% S,%

КЧ30-6 294 6 100 - 163 2,6-2,9 1,0-1,6 0,4-0,6 0,18 0,20

КЧ33-8 323 8 100 - 163 2,6-2,9 1,0-1,6 0,4-0,6 0,18 0,20

КЧ35-10 333 10 100 - 163 2,5-2,8 1,1-1,3 0,3-0,6 0,12 0,20

КЧ37-12 362 12 110 - 163 2,4-2,7 1,2-1,4 0,2-0,4 0,12 0,06

КЧ45-7 441 7 150 - 207 2,5-2,8 1,1-1,3 0,3-1,0 0,10 0,20

КЧ50-5 490 5 170 - 230 2,5-2,8 1,1-1,3 0,3-1,0 0,10 0,20

КЧ55-4 539 4 192 - 241 2,5-2,8 1,1-1,3 0,3-1,0 0,10 0,20

КЧ60-3 588 3 200 - 269 2,5-2,8 1,1-1,3 0,3-1,0 0,10 0,20

КЧ65- 3 637 3 212 – 269 2,4-2,7 1,2-1,4 0,3-1,0 0,10 0,06

КЧ 70-2 686 2 241 - 285 2,4-2,7 1,2-1,4 0,3-1,0 0,10 0,06

КЧ80-1,5 784 1,5 270 - 320 2,4-2,7 1,2-1,4 0,3-1,0 0,10 0,06

1.4.3.5 Чугуны с вермикулярным графитом

Рассматриваемый чугун разработан и внедрен в 70-х годах прошлого столетия. Соединяет в себе высокие литейные, механические и теплофизические свойства и поэтому применяется для изготовления тонкостенных отливок сложной конфигурации, которые выдерживают значительные тепловые и силовые нагрузки.

В чугунах с вермикулярным графитом структура формируется под действием комплексного модификатора, содержащего магний и редкоземельные металлы. Графит приобретает шаровидную (до 40%) и вермикулярную – в виде мелких тонких прожилок – форму.

Чугуны с вермикулярным графитом маркируются следующим образом: сначала идут буквы ЧВГ (чугун, вермикулярный графит), затем первое число, которое указывает минимальное значение временного сопротивления прочности при растяжении в мегапаскалях, далее второе число, определяющее минимальное значение относительного удлинения в процентах. Например, марка ЧВГ 400-4 означает, что чугун с вермикулярным графитом имеет sв ≥ 400 МПа и δ ≥ 4%.

По механическим свойствам чугуны с вермикулярным графитом занимают промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами (табл.6). Они прочнее серых чугунов, особенно при циклических нагрузках, отличаются хорошей теплопроводностью, что обеспечивает их стойкость к теплосменам.

Таблица 6 – Механические свойства чугунов с вермикулярным графитом

Марка чугуна ЧВГ 300-3 ЧВГ 350-2 ЧВГ 400-1,5 ЧВГ 450-1

sв, МПа 300 350 400 450

δ, % 3,0 2,0 1,5 0,9

1.4.3.6 Антифрикционные и легированные чугуны

Серые, ковкие и высокопрочные чугуны используются как анти-фрикционные материалы. Находят применение следующие марки чугунов: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-4 (перлитная основа, поддаются закалке и нормализации); АСЧ-3 (феррито-перлитная основа, используется без обработки); АСЧ-5 (основа аустенитная, поддается закалке и нормализации); АСЧ-6 (перлитная пористая основа, без обработки); АЧВ-1 (перлитная основа, поддается закалке и нормализация); АЧВ-2 (феррито-перлитная основа, без обработки), АЧК-1 (перлитная основа, поддается закалке и нормализации); АЧК-2 (феррито-перлитная основа, без обработки).

При легировании хромом, кремнием и алюминием чугуны имеют большую жаростойкость. Из легированных чугунов распространены хромистые чугуны ЧХ1, ЧХ2, ЧХ16, 4X28, 4Х32, кремнистые чугуны ЧС5, ЧС13 и алюминиевые чугуны ЧЮХШ, ЧЮ6С5, ЧЮ22Ш, ЧЮ30 (табл. 7).

Таблица 7 – Химический состав легированных чугунов

Марка чугуна C, % Si, % Cr, % Другие

элементы Примечание

ЧХ22 2,4 – 3,6 0,2 – 1,0 19,0-25,0 0,15 - 0,35%Ti

ЧХ32 1,6 - 3,2 1,5 - 2,5 30,0 - 34,0 0,1 - 0,3% Ti Эксп. до 1150оС

ЧХ22С 0,6 - 1,0 3,0 - 4,0 19,0 - 25,0

ЧС5Ш (силан) 2,7 - 3,3 4,5 - 5,5 Эксп. до 800оС, стоек в атмосферах, со-держащих сернистый газ и пары воды

ЧС15

(ферро-силид) 0,3 – 0,8 14,1–16,0 Для изготовления деталей химиче-ской аппаратуры

ЧЮ22Ш (чугаль) 1,6 – 2,5 1,0 – 2,0 19,0–25,0% Al Эксп. до 1100оС

ЧН15Д7 (нире-зист) 2,2 - 3,0 2,0 - 3,0 1,5 - 3,0 14,0 - 16,0 %Ni, 5,0 - 5,8 %Cu Для изготовления деталей химиче-ской аппаратуры

Маркируются чугуны буквой Ч, за которой идут буквы, указывающие название легирующих элементов, а затем цифры, определяющие количество этих элементов в процентах. Буква Ш в конце обозначает наличие шаровидного графита.

2 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

2.1 Общие положения термической обработки

Одной из важных проблем современного технического развития является улучшение технико-экономических показателей машин, механизмов и инженерных сооружений на основе снижения их удельной металлоёмкости, а также увеличения эксплуатационной надежности и долговечности. Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. Чем ответственней конструкция, тем больше в ней термически обработанных деталей. По глубине и разнообразию структурных изменений, возникающих в результате термической обработки, с ней не могут сравниться ни механические, ни какие-либо другие виды воздействия на металл. Во всем мире по уровню использования в промышленности термической обработки судят о техническом уровне и культуре производства.

Термическая обработка – это технологический процесс тепловой обработки изделий из металлов и сплавов с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Эта цель достигается с помощью нагрева и выдержки при определенной температуре в течение заданного времени и последующего охлаждения. Температуру нагрева сплавов данного состава выбирают, исходя из их диаграммы состояния. Длительность выдержки должна обеспечить сквозное или поверхностное нагревание изделий, протекание фазовых превращений, растворение карбидов, коагуляцию фаз и т. п. Скорость последующего охлаждения определяет вид термической обработки.

Основными параметрами термической обработки являются темпе-ратура и время. К вспомогательным параметрам относятся скорости нагревания и охлаждения. Любой режим термической обработки может быть представлен в виде графика в координатах: температура, время.

Основой всех превращений при термической обработке есть стрем-ление системы к минимуму свободной энергии. Фазовые превращения в сплавах происходят вследствие того, что одно состояние системы стано-вится менее стабильным по сравнению с другим, то есть имеет большую свободную энергию.

Во время термической обработки в стали происходят такие основные фазовые превращения:

- феррита и цементита в аустенит при нагревании выше точки Ас1;

- аустенита в феррит и цементит при охлаждении ниже точки Аr1;

- аустенита в мартенсит при охлаждении со скоростями больше критических;

- мартенсита в феррит и карбиды при его нагревании ниже точки Ас1.

Как видно из графика, приведенного на рис. 8, при температурах выше точки А1 наименьшую свободную энергию имеет аустенит, и поэто-му происходит его образование при нагреве стали.

Рисунок 8 - Зависимость свободной энергии F от температуры для различных структурных составляющих стали (А –

аустенит, М – мартенсит, П – перлит)

Ниже температуры А1 происходит обратное превращение.

При температуре ниже То свободная энергия перлита минимальна, но работа, необходимая для перехода аустенита в мартенсит меньше, чем для образования перлита. Данное обстоятельство способствует предварительному образованию мартенсита, после чего при соответствующих условиях будет образовываться феррито-цементитная смесь.

2.2 Превращения при нагревании и охлаждении стали

2.2.1 Образование аустенита при нагревании

Процесс образования аустенита при нагревании углеродистой стали состоит из полиморфного превращения a ® g и растворения в аустените цементита.

При нагревании эвтектоидной стали с исходной перлитной структурой выше АС1 происходит образование зародышей аустенита на базе фазовых флуктуаций на межфазных поверхностях между ферритом и цементитом. Последующий рост зародышей происходит за счет разной концентрации углерода на границах «цементит-аустенит» и «феррит - аустенит», в результате чего наблюдается диффузионный перенос углерода от первой границы ко второй и растворение цементита для восстановления равновесия. После полного растворения цементита аустенит является неоднородным и нужна некоторая выдержка для достижения его однородности (гомогенизации).

Поскольку граница между составляющими перлита (ферритом и це-ментитом) очень распространена, то превращение начинаются с образования большого количества малых зерен. Размер этих зерен характеризует величину начального зерна аустенита (рис. 9).

При повышении температуры зерна аустенита начинают расти и в зависимости от кинетики этого процесса различают два типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые. Первый тип сталей характеризуется малой склонностью, а второй - повышенной склонностью к росту зерна. Таким образом, наследственная зернистость характеризует склонность аустенитного зерна к росту.

Наследственная зернистость зависит от наличия нерастворенных в аустените дисперсных карбидов, окислов и нитридов, которые размещаются по границам зерен и оказывают барьерное действие при росте зерна. Это обусловливает влияние раскисления стали и её химического состава. Спокойные стали, раскисленные при выплавке алюминием, ванадием, титаном, являются наследственно мелкозернистыми. Карбидо- и нитридообразующие элементы (Cr, Mo, W, V, Nb, Ti, Zr) задерживают рост зерна аустенита, причем, чем более стойкие к растворению при нагревании образуются фазы, тем сильнее эффект.

Рисунок 9 - Рост зерна аустенита при повышении температуры для крупнозернистых (К) и мелкозернистых (М) сталей

Кипящие стали, раскисленные при выплавке только марганцем, яв-ляются наследственно крупнозернистыми. Из легирующих элементов увеличивают склонность к росту зерна марганец и бор.

После растворения барьеров, которые сдерживают рост зерна в наследственно мелкозернистой стали, оно начинает быстро расти. При нагревании выше 950-1000°С размер зерен в наследственно мелкозерни-стой стали может быть даже больше, чем в наследственно крупнозерни-стой стали при этой температуре.

Зерно аустенита, полученного в стали в результате термической обработки, называется действительным и его размер зависит от температуры и длительности выдержке при нагревании.

На свойства стали влияет только действительный размер зерна. Наследственный размер зерна на свойства не влияет. От величины зерна почти не зависят статические характеристики (НВ, sВ, s0,2, ), но сильно снижается при его увеличении ударная вязкость и повышается порог хладноломкости.

Превращение перлита в аустенит может происходить в полном соответствии с диаграммой состояния „железо-цементит" лишь при условии очень медленного нагревания. В реальных условиях превращение проходит при температурах выше, чем А1, и чем быстрее происходит нагревание, тем интенсивнее и при более высокой температуре оно происходит. Процесс превращения перлита в аустенит ускоряется также при повышении содержания углерода в стали и увеличении дисперсности участков перлита.

Приведенные положения касаются только эвтектоидной стали, а доэвтектоидные и заэвтектоидные стали будут иметь структуру однородного аустенита лишь при нагревании выше линии, соответственно, АС3 и Асm.

2.2.2 Превращения аустенита при охлаждении

2.2.2.1 Перлитное превращение

При охлаждении аустенита эвтектоидной стали ниже линии А1 про-исходит его распад на феррит и цементит Fey(C) Þ Fea(C) + Fe3C. Ско-рость этого процесса определяется следующими факторами.

При температуре А1 превращение не происходит, а может начаться только после некоторого переохлаждения, когда свободная энергия аустенита будет выше свободной энергии смеси феррита и цементита. Чем больше переохлаждение, тем более разница свободных энергий и тем быстрее проходит превращение.

Фазы, которые образуются при распаде аустенита, сильно отличаются по составу ( феррит содержит 0,025%С, цементит – 6,67% С) и поэтому для такого превращения необходима диффузия, скорость которой при понижении температуры будет уменьшаться.

Таким образом, на процесс превращения аустенита при переохла-ждении ниже А1 влияют два противоположных по действию фактора. При снижении температуры увеличивается разница свободных энергий, что должно повышать скорость превращения. Но при этом замедляются диффузионные процессы, что снижает скорость превращения.

Степень переохлаждения предопределяет механизм и кинетику превращения и, как следствие, структуру и свойства стали.

Превращение аустенита анализируют в изотермических условиях, охлаждая образцы до определенной температуре ниже А1 и фиксируя начало и конец распада аустенита. Далее точки начала и конца превращения соединяются кривыми, в результате чего на диаграмме изотермического распада аустенита образуются С-образные кривые (рис. 10).

При эвтектоидном превращении аустенита увеличивается удельный объем, падает электросопротивление и сталь переходит из парамагнитного в ферромагнитное состояние, На исследовании изменений этих физических свойств основаны дилатометрический, электрический и магнитный методы определения времени начала и конца превращения.

Устойчивость переохлажденного аустенита характеризуется инкубационным периодом, т. е. отрезком времени (от оси координат до линии начала превращения), в течение которого обычные методы не фиксируют появление продуктов распада.

Температура, соответствующая минимальному инкубационному периоду, называется температурой минимальной устойчивости аустенита (tmin).

Рисунок 10 - Диаграмма изотермического распада

аустенита в эвтектоидной стали

На диаграмме изотермического распада аустенита различают три области, соответствующие перлитному (А1…tmin,оС), промежуточному (tmin,оС…Мн) и мартенситному (ниже Мн) превращениям.

Характерной особенностью перлитного превращения является ко-оперативный рост двухфазной перлитной колонии путем диффузионного образования феррита и цементита. Центром образования перлитной колонии может быть или цементит, или феррит, зарождение которых облегчено на границах аустенитных зерен.

При образовании и росте цементитной пластины аустенит вблизи нее обедняется углеродом и создаются условия для зарождения ферритных пластин путем полиморфного g - a превращения. При последующем росте ферритной пластины углерод оттесняется в аустенит, поскольку феррит практически не содержит углерода, и в обогащенном аустените создаются условия для появления новых цементитных пластин, и т. д.

Межпластиночное расстояние (или суммарная толщина пластин феррита и цементита) постоянно для данной температуры образования и с увеличением переохлаждения уменьшается, при этом прочностные свойства и твердость возрастают.