ТЕМА 2. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ. ТЕРМИЧЕСКАЯ

И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Сплавы

Сплавы– это материалы, получаемые из двух и более компонентов ( химических элементов или их соединений) путем сплавления в жидком состоянии или спекания или в результате электролиза, или др. путями. Сплавы железа с углеродом называются чёрными сплавами. Они разделяются на стали и чугуны. Стали содержат менее 2,14 % углерода (С < 2,14 %), а чугуны (2,14 < С < 6,67 %). Они являются основными материалами, используемыми в технике. Кроме углерода, эти сплавы могут содержать примеси. Различают полезные примеси, которые специально вводят в состав сплава (Mn, Si, Cr,Ni, Co, Mo, V, W и др.), и вредные примеси (S, P), которые присутствуют в сырье и их не удаётся полностью удалить в процессе изготовления сплава. Компонентами называют вещества, образующие сплав.

Системойназывают совокупность фаз, находящихся в равновесии. Фазой называют однородные составные части системы, имеющие одинаковый состав,одно и то же агрегатное состояние (газообразное, жидкое, твёрдое) и одинаковую кристаллическую структуру, разделённые поверхностью раздела. На рис. 2.1 показана диаграмма фазового равновесия сплава железа с углеродом в зависимости от концентрации и температуры. Компоненты в сплаве образуют следующие виды фаз: жидкие растворы, твёрдые растворы и химические соединения. Твердыми раствораминазывают фазы, в которых один из компонентов сохраняет свою кристаллическую решётку, а атомы других компонентов распола-

Рис. 2.1. Диаграмма состояния железо-цементит

гаются внутри её. Различают твёрдые растворы внедрения и замещения. В первых растворённый компонент располагается в междоузлиях кристаллической решётки и не занимает место атомов растворителя. В растворах замещения растворяемый компонент замещает атомы растворителя, что характерно для компонентов с мало различающимися атомными размерами. Химические соединенияотличаются от растворов тем, что имеют кристаллическую структуру, отличающуюся от решёток компонентов, образующих химическое соединение. При кристаллизации жидкого раствора или при перекристаллизации твёрдого раствора из них могут выделяться другие твёрдые растворы и (или) химические соединения. В результате образуются механические смеси. Дисперсные механические смеси, которые образуются кристаллизацией из жидкого раствора при постоянной температуре и постоянном составе, называются эвтектическими (эвтектикой). Более мелкодисперсные смеси, образующиеся при перекристаллизации твёрдого раствора при постоянной температуре и постоянномсоставе, называются эвтектоидными (эвтектоидом)..

Основные компоненты железоуглеродистых сплавов:

1. Железо, Fe: ρ = 7860 кг/м3, tпл. = 1539 °С, НВ = 60 ... 90, δ = 30 ... 50 %.

2. Углерод, С: ρ = 2600 кг/м3, tпл. = 4000 °С. Углерод в железоуглеродистых сплавах может содержаться в виде химического соединения – цементита или свободного графита или входить в состав твердых растворов.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов:

1. Аустенит– твердый раствор внедрения углерода в γ железе, имеющем ГЦК кристаллическую решётку (Fеγ) с максимальной концентрацией углерода

2,14 % при 1147 °С, которая понижается до 0,8 % при 727 °С. Немагнитен, имеет выскую пластичность (δ = 40 ... 50 %), НВ = 160 ... 200.

2. Феррит– твердый раствор внедрения углерода в α железе, имеющем ОЦК кристаллическую решётку (Fеα). Максимальная концентрация углерода 0,02 % при 727 °С и 0,006 % при 20 °С. Имеет низкую твердость (НВ = 80... 100), высокую пластичность (δ = 50 %).

3. Цементит (Fе3С)содержит С = 6,67 %. Является химическим соединением. tпл.= 1260 °С. Обладает очень высокой твердостью (НВ = 820) и хрупкостью (δ = 0). При медленном охлаждении или при содержании кремния > 1,5 % цементит может распадаться: FeC → 3Fe + C (графит).

4. Перлит– это эвтектоидная механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита. Образуется при распаде аустенита при t = 727 °С (линия PSK на рис. 2.1) с концентрацией С = 0,8 % : Feγ (С = 0,8 %) → Feα (С = 0,02 %) + Fe3С (С = 6,67 %). Магнитен, имеет повышенную прочность и твердость, НВ = 160 ... 200, σв = 800 МПа, δ = 12 %.

5. Ледебурит– это эвтектическая механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, образуется из жидкого раствора с концентрацией углерода (С =4,3 %). Образуется при t = 1147 °С (линия ECF на рис. 2.1). Имеет высокую твёрдость и очень хрупок, НВ = 600 ... 700.

Характерные сплавы на диаграмме(по концентрации углерода в %):С = 0 % – чистое железо; С = 0,8 % – эвтектоидный сплав, содержащий 100 % перлита, разделяет сталина доэвтектоидные и заэвтектоидные; С = 2,14 % – предельная растворимость углерода в аустените, является границей между сталями и чугунами; С = 4,3 % – эвтектический сплав, содержит _______100 % ледебурита; С = 6,67 % содержит 100 % цементита (Fe3C). Заметим, что разделение железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны произошло в те времена, когда не умели делать химический анализ. Это разделение проведено исходя из того, что стали можно сильно деформировать (ковать, штамповать и т. д.), а чугуны хрупко разрушаются при сравнительно небольших деформациях. Рассматривая рис. 2.1, можно видеть, что стали могут находиться при определённой температуре в состоянии твёрдого раствора (ау-

стенита и (или) феррита). Именно в этом состоянии стали можно подвергать значительным деформациям на десятки и сотни процентов. Чугуны в твёрдом

состоянии при любой температуре содержат хрупкое химическое соединение (цементит), что и объясняет их малую пластичность. Самая верхняя кривая на диаграммах фазового равновесия, например ABCD на рис. 2.1, показывает начало кристаллизации в сплаве. Она называется линией «ликвидус». Линия, обозначающая конец затвердевания (AHJECF на рис. 2.1), называется линией «солидус». У доэвтектоидных сталей при охлаждении по кривой GS начинается и по PS заканчивается перекристаллизация части аустенита в феррит, что связано с полиморфным превращением Feγв Feα. Концентрация углерода в оставшемся аустените повышается до 0,8 % и по линии PS последний превращается в перлит. Таким образом, доэвтектоидные стали имеют феррито-перлитную структуру. У заэвтектоидных сплавов по кривой SE начинается и по SK заканчивается процесс выделения из аустенита цементита вследствие понижения растворимости углерода в аустените при охлаждении. Концентрация углерода в оставшемся аустените понижается до 0,8 % , и по линии SK последний превращается в перлит. Т. о., заэвтектоидные стали имеют перлитнo-цементитную структуру. Цементит стремится выделиться по границам зерен, образуя так называемую

цементитную сетку, которая резко снижает прочность сплава. Микроструктуры сталей см. на рис. 2.2, чугунов на рис. 2.3.

Рис. 2.2. Микроструктуры сталей:

а – доэвтектоидной (× 300); б – эвтектоидной (×250); в – заэвтектоидной (×300)

Термообработка

Термообработка (ТО)любого сплава заключается в нагреве деталей до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с различной скоростью с целью получения требуемой структуры и механических свойств (рис. 2.4). При нагреве стали чуть выше критических температур, соответствующих линии GSE (рис. 2.1), за счет перекристаллизации феррито-перлитной структуры в аустенитную образуется мелкозернистая структура, которая при последующем охлаждении фиксируется (рис. 2.6). Изменяется и внутренняя структу-

Рис. 2.3. Микроструктуры чугунов (×200):

а – доэвтектического; б – эвтектического; в – заэвтектического

Рис. 2.4. Графики термической обработки

Рис. 2.5. Температурный интервал для нагрева углеродистой стали при закалке (за-

штрихованная зона)

ра зерен. Чем выше скорость охлаждения при ТО, тем выше дисперсность внутризеренных структур и прочность сплава, но ниже пластичность. При сравнительно медленном охлаждении из аустенитного состояния, которое осуществляется при отжиге или нормализации, происходит выделение цементита в виде пластин, что связано с диффузионными превращениями. Диффузия необходима для повышения концентрации углерода в месте образованияцементита до 6,67 %. Начало и окончание процесса выделения цементита на рис. 2.7 показывают кривые 1, 2. Чем выше скорость охлаждения, тем тоньше пластинки цементита, т. е. больше дисперсность структуры. Минимальной скорости V1 соответствует грубая пластинчатая структура – перлит. При скорости V2 образуется пластинчатый сорбит. При ещё большей скорости охлаждения получается очень мелкодисперсная структура пластинчатого троостита. При определенной достаточно высокой скорости охлаждения, которая называется критической Vкр, диффузионные процессы не могут происходить вследствие переохлаждения сплава до низких температур. Однако в результате полиморфных превращений происходит перекристаллизация структуры и твёрдый раствор аустенит превращается в пересыщенный раствор углерода в α железе. Такая структура называется мартенситом, а бездиффузионное превращение называется мартенситным. На рис. 2.7 линия Мн соответствует

началу, Мк – окончанию мартенситных превращений.

Рис. 2.6. Изменения микроструктуры эвтектоидной стали при нагреве и охлаждении c

различной скоростью (V3 >V2 >V1)

Аустенит устойчивый

Рис. 2.7. Диаграмма изотермического превращения аустенита:

1 – начало распада аустенита, 2 – окончание процесса распада аустенита;

П – перлит, С – сорбит, Т – тростит, М – мартенсит