Термообработка сталей

Основными конструкционными материалами являются стали и чугуны. Они представляют собой сплав железа и углерода с добавлением других химических элементов (кремния, марганца, хрома, никеля и др.) и относятся к черным металлам. Железоуглеродистый сплав, содержащий до 2% углерода С, называют сталью, а содержащий 3…4,5% С – чугуном.

Механические и технологические свойства чугуна и стали зависят от способа их получения, химического состава и вида последующей обработки; при этом основные свойства черных металлов определяются содержанием в них углерода, входящего в различные структуры.

2.1 . Диаграмма состояний Fe – C

На диаграмме Fe – C, как на географической карте показаны следующие области: существования стали и чугуна, железа и цементита; различных состояний железа (a-Fe, b-Fe, g-Fe); различных фаз: твердых растворов (феррит и аустенит), химических соединений (цементит) и механических смесей (ледебурит + перлит, перлит + цементит и др.); твердого (ниже линии солидуса COSFCF) и жидкого (выше линии ликвидуса ABCD) состояний сплавов (рис.6).

В сплавах железа с углеродом встречаются следующие структурные составляющие: феррит, цементит, аустенит, перлит, ледебурит и графит.

Феррит – твердый раствор углерода (около 0,002 %) в a- железе, т.е. в объемно-центрированной кубической решетке. Феррит характеризуется незначительной твердостью (НВ 85) и низкой прочностью, но высокой пластичностью. Микроструктура феррита состоит из светлых зерен различных размеров.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа – Fe₃C). Цементит содержит (по массе) 6,67 % углерода, он хрупок, а твердость его очень высокая, достигающая до НВ 700. Под микроскопом сетка цементита светлая и блестящая. Цементит присутствует в структурах сталей и чугунов в различных формах: в виде сетки по границам зерен, в виде игл по кристаллическим плоскостям, или в виде отдельных светлых выделений.

Аустенит – твердый раствор углерода (до 2% С) в g - железе, т.е. в гранецентрированной кубической решетке. Сталь аустенитной структуры обладает большой пластичностью. Твердость аустенита НВ 170…220.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита, в нем содержится 0,8% С. Твердость перлита НВ 220.

Ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита, содержит 4,3% С, его твердость НВ 600.

Графит – это свободный углерод. Он присутствует в чугунах в виде включений различной формы – пластинчатый графит, шаровидный графит и др. С изменением формы графитных включений меняются механические и технологические свойства сплава.

При охлаждении сплава железа с углеродом и переходе его из жидкого состояния в твердое происходят превращения кристаллической структуры и изменения свойств сплава. Это наглядно иллюстрирует диаграмма, приведенная на рис.6.

Диаграмма состояний системы железо-углерод дает большой объем практической информации инженеру, занимающемуся вопросами использования сталей и сплавов в промышленности и строительстве, изготовления и ремонта деталей, их термообработкой и сваркой:

-о поведении сплавов при нагреве и охлаждении;

-о структуре, фазах и фазовых превращениях для конкретных сплавов;

-по обоснованию режимов термообработки (отпуск, закалка и др.) деталей;

-по обоснованию температуры нагрева заготовок при ковке и штамповке;

-по качеству сварки и по объяснению металлургических процессов и фазовых превращениях при сварке металлов и сплавов.

Характерными точками диаграммы являются:

A – температура плавления чистого железа;

D – температура плавления цементита Fe₃C;

S – эвтектоидная точка (для сталей);

C – эвтектическая точка (для чугунов).

E – делит железоуглеродистые сплавы на две группы: стали (содержание углерода до 2,1%) и чугуны (содержание углерода свыше 2,1 %);

Диаграмма построена путем исследования процессов охлаждения и нагрева железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода от 0% (чистое железо) до 6,67 % (цементит). Рассмотрим построение диаграмм нагрева и охлаждения для чистого железа (0 % углерода).

Чистое железо представляет собой очень мягкий и ковкий металл серебристо-белого цвета, не окисляющийся на воздухе, плавящийся при температуре 1539 °С, а испаряющийся – при 3200 °С.

Свыше 1539 °С железо находится в жидком состоянии, а ниже – металл кристаллизуется, т.е. возникает кристаллическая объемно-центрированная кубическая решетка, но с большими, чем у a- железа (при температуре ниже 768°С) размерами; эта структура называется.

При температуре ниже 1392 °С s- железо превращается в g- железо, т.е. решетка становится гранецентрированной в диапазоне до температуры 910°С, ниже которой структура металла вновь становится объемно-центрированной, но при температуре ниже 768 °С (рис.7) железо приобретает магнитные свойства, т.е. b- железо превращается в a- железо.

Выше температурной кривой ABCD сплавы железа с углеродом находятся в жидком состоянии. Когда их температура будет соответствовать температуре точек, лежащих на этой же кривой, начнется процесс кристаллизации. При температуре, которой соответствует линия ABC, из жидких сплавов, содержащих до 4,3 % С, будут выпадать кристаллы аустенита, а по линии CD – кристаллы первичного цементита. С понижением температуры количество твердых кристаллов будет увеличиваться вследствие уменьшения количества жидкого сплава, и, приближаясь к температуре точек, лежащих на кривой AHJE, сплавы, содержащие до 2 % С, будут иметь структуру, состоящую из кристаллов чистого аустенита. Цементит называется вторичным из-за того, что он получен не из жидкого сплава, а из твердого раствора.

При этих перестройках, кроме превращения при температуре 768 °С, выделяется энергия на создание и перекристаллизацию кристаллической решетки, поэтому, хотя тепло подводится, но снижения температур нет (будут ступеньки постоянных температур). При нагреве железа структурные изменения происходят в обратном направлении, затрачивается энергия на разрушение и перекристаллизацию кристаллической решетки, поэтому так же будут иметь место ступени на диаграмме.

Сплав с 4,3 % С при 1130 °С сразу же, минуя промежуточные состояния, переходит из жидкого состояния в твердое кристаллическое (ледебурит). Сплавы с 4,3…6,67 % С ниже температурной кривой CF состоят из кристаллов первичного цементита и ледебурита.

При охлаждении сплавов до значений температурной кривой GOS из аустенита начинает выделяться феррит. Выделение его продолжается до достижения температуры 727 °С (прямая PS), при которой оставшийся аустенит, обогащенный углеродом, переходит в перлит.

При температуре ниже 727 °С сплавы имеют структуру, состоящую из зерен перлита и феррита. С увеличением процентного содержания углерода количество перлита возрастает, и при 0,8 % С сплавы имеют структуру чистого перлита.

При охлаждении сплавов на уровне температурной кривой SE из аустенита начинается выделение вторичного цементита, продолжающееся до 723 °С (линии SK), при этом весь оставшийся аустенит с содержанием 0,8 % С переходит в перлит.

При температуре ниже 727 °С образуется структура, состоящая из зерен перлита и цементита.

Аустенит чугунов (сплавы с 2…4,3 % С) при 727 °С превращается в перлит, а при более низкой температуре приобретает структуру, состоящую из кристаллов перлита, вторичного цементита и ледебурита. Структура чугуна, содержащего 4,3…6,67 % С ниже линии SK, состоит из кристаллов ледебурита и первичного цементита.

Все описанные выше изменения структуры сплавов железа с углеродом обратимы. При нагревании их до 727 °С перлит превращается в обогащенный аустенит, а при дальнейшем повышении температуры нагрева феррит и вторичный цементит растворяются в аустените. Выше кривой GOSE диаграммы сплав снова состоит из кристаллов чистого аустенита.