25. Стали. Превращения в сталях при нагреве и охлаждении.

1) Доэвтектоидная сталь:

Для 4–4': k = 2; f = 3 (Ф + А + Ц); с = 2–3+1=0 (t = const).

1–2 – первичная кристаллизация А из жидкости

2–3 – охлаждение А (превращений нет)

3–4 – диффузионное перераспределение углерода, образование Ф, повышение содержания углерода в А.

4–4' – распад А, образование П.

Ниже 4' – охлаждение сплава, выделение избыточного углерода из Ф (Ц_III).

1) Заэвтектоидная сталь:

1–2 – первичная кристаллизация, образование аустенитной структуры

2–3 – охлаждение твердого сплава (превращений нет)

3–4 – вторичная кристаллизация; 3 – образование насыщенного твердого раствора углерода в Fe_. Понижение температуры приводит к диффузии избыточного углерода к граница зерен, в результате на границах образуются зоны с высоким содержание углерода, которые превращаются в Ц.

4–4' – эвтектоидное превращение А в П; 4' – конец превращения; t = 727° C =const .

Ниже 4' – остывание сплава, идет процесс третичной кристаллизации, Ц_III из феррита (теоретически).

26 Равновесные: А П Л Ф Ц, не равновесны М С Т

27 Чугунами называются литейные железоуглеродистые сплавы с содер­жанием углерода от 2,14 до 6,67%. В технических чугунах кроме угле­рода содержится 81(до 4...5%), Мп(до 2%). 8(до 0,15%) и Р(до 0,3%). Чугуны не обрабатываются давлением из-за низкой пластичности.

Чугуны, в структуре которых весь углерод присутствует в химически связанном состоянии в виде цементита ГезС, называются белыми чугунами (БЧ),. Фазово-структурные превращения и микроструктура БЧ описываются диаграммой состояния "Ре-РезС", согласно которой они подразделяются на доэвтектические (С<4.3%), эвтектический (С=4,3%), и заэвтектические (04,3%). По линии ликвидус в доэвтектических БЧ из жидкого раствора выделяются кристаллы аустенита (А). При 1147°С первичная кристаллизация заканчивается образованием эвтектики — ледебурита аустенитного Л(А+Ц). В интервале 1147...727°С из аустенита выделяется вторичный цементит (Цд). а при 727°С аустенит превращается в перлит П (Ф+Ц). В итоге первичной и вторичной кристаллизации образуется микроструктура, состоящая из трех структурных составляющих (рис.3.1): перлита (крупные темные зерна), вторичного цементита (белая составляющая), ледебурита перлитного Л(П+Ц) (ячеистая составляющая, в которой на белом цементитном поле располагаются мелкие темные включения перлита). Эвтектический БЧ состоит из одного ледебурита, а заэвтектические — из цементита первичного Ц, и ледебурита. Наличие в структуре БЧ большого количества твердого цементита (в перлите, ледебурите и избыточного) делает их очень твердыми (НВ=4500...5500 МПа) и хрупкими. Вследствие высокой твердости они хорошо сопротивляются износу, но очень плохо обрабатываются резанием, поэтому их применение ограничивается изготовлением лишь некоторых литых изделий, работающих на истирание и обычно не требующих дополнительной механической обработки

Чугуны, в которых большая часть углерода или практически весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита (Г), подраз­деляются на серые (СЧ), высокопрочные (ВЧ) и ковкие (КЧ)*.

Рис.3.1. Микроструктура белого доэвтектического чугуна

При микроанализе различают микроструктуру металлической основы и графитные включения. Как видно из рис.3.2, металлическая основа любого чугуна может состоять либо из перлита (перлитные чугуны),либо из перлита и феррита(перлитоферритные чугуны). либо из феррита (ферритные чугуны). Отличительным же их микроструктурным признаком является форма графитных включений — пластинчатая в СЧ, шаровидная в ВЧ и хлопьевидная в КЧ. Таким образом, по микроструктуре чугуны отличаются от углеродистых сталей наличием графитных включений, а между собой — их формой.

СЧ получают при повышенном содержании в расплаве углерода и кремния и малой скорости охлаждения отливки в процессе первичной и

^k Название белых и серых чугунов определяется цветом излома;

высокопрочных — повышенной прочностью;название ковких чугунов — условное. вторичной кристаллизации, так как эти факторы способствуют графити-зации, т.е. выделению углерода в виде графита. В зависимости от

степени графитизации будет изменяться микроструктура металлической основы от перлитной (неполная графитизация; количество связанного в цементит углерода 0,8%) до ферритной (полная графитизация, т.е. весь углерод в свободном состоянии в виде графита) (рис.3.3). Если же связанным окажется не весь углерод, но больше 0.8%, то образуется так называемый половинчатый чугун с микроструктурой перлит + цементит + графит.

28 Чугуны, в структуре которых весь углерод присутствует в химически связанном состоянии в виде цементита ГезС, называются белыми чугунами (БЧ),. Фазово-структурные превращения и микроструктура БЧ описываются диаграммой состояния "Ре-РезС", согласно которой они подразделяются на доэвтектические (С<4.3%), эвтектический (С=4,3%), и заэвтектические (04,3%). По линии ликвидус в доэвтектических БЧ из жидкого раствора выделяются кристаллы аустенита (А). При 1147°С первичная кристаллизация заканчивается образованием эвтектики — ледебурита аустенитного Л(А+Ц). В интервале 1147...727°С из аустенита выделяется вторичный цементит (Цд). а при 727°С аустенит превращается в перлит П (Ф+Ц). В итоге первичной и вторичной кристаллизации образуется микроструктура, состоящая из трех структурных составляющих (рис.3.1): перлита (крупные темные зерна), вторичного цементита (белая составляющая), ледебурита перлитного Л(П+Ц) (ячеистая составляющая, в которой на белом цементитном поле располагаются мелкие темные включения перлита). Эвтектический БЧ состоит из одного ледебурита, а заэвтектические — из цементита первичного Ц, и ледебурита. Наличие в структуре БЧ большого количества твердого цементита (в перлите, ледебурите и избыточного) делает их очень твердыми (НВ=4500...5500 МПа) и хрупкими. Вследствие высокой твердости они хорошо сопротивляются износу, но очень плохо обрабатываются резанием, поэтому их применение ограничивается изготовлением лишь некоторых литых изделий, работающих на истирание и обычно не требующих дополнительной механической обработки.

Белый чугун имеет структуру перлит и цементит по всему сечению (или на боль­шую глубину), и, так правило, доэвтектический. При высокой износостойкости и твердости, но плохой обрабатываемости резанием белые чугуны имеют сильно сни­женные механические свойства и почти не применяются.

29.При микроанализе различают микроструктуру металлической основы и графитные включения. Как видно из рис.3.2, металлическая основа любого чугуна может состоять либо из перлита (перлитные чугуны),либо из перлита и феррита (перлитоферритные чугуны). либо из феррита (ферритные чугуны). Отличительным же их микроструктурным признаком является форма графитных включений — пластинчатая в СЧ, шаровидная в ВЧ и хлопьевидная в КЧ. Таким образом, по микроструктуре чугуны отличаются от углеродистых сталей наличием графитных включений, а между собой — их формой.

СЧ получают при повышенном содержании в расплаве углерода и кремния и малой скорости охлаждения отливки в процессе первичной и^k Название белых и серых чугунов определяется цветом излома;высокопрочных — повышенной прочностью;название ковких чугунов — условное.

вторичной кристаллизации, так как эти факторы способствуют графити-зации, т.е. выделению углерода в виде графита. В зависимости от

степени графитизации будет изменяться микроструктура металлической основы от перлитной (неполная графитизация; количество связанного в цементит углерода 0,8%) до ферритной (полная графитизация, т.е. весь углерод в свободном состоянии в виде графита) (рис.3.3). Если же связанным окажется не весь углерод, но больше 0.8%, то образуется так называемый половинчатый чугун с микроструктурой перлит + цементит + графит.

30-32

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % С, в зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплаве, различают белый, серый и ковкий чугуны.

Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита, благодаря чему они имеют светло-кристаллический излом

структура доэвтектического белого чугуна при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита Эвтектический белый чугун имеет в своей структуре один ледебурит

Серыми называется чугун, не содержащие ледебурита, в них весь углерод (или часть его) присутствует в свободном равновесном состоянии ( в виде графита). Благодаря графиту излом чугуна принимает серый цвет. Графит в сером чугуне имеет пластинчатую форму. Являясь неметаллической составляющей, он хорошо виден на полированной поверхности, поэтому оценка отливок серого чугуна по графитовым включениям производится в образцах, не подвергающих травлению. Большое влияние на процесс графитизации оказывает также химический состав чугуна. Элементами, способствующими графитизации, являются C, Si, Ni, Cu и др. К отбеливающим, т.е. препятствующим этому процессу, относятся Mn, S, Cr, W и др

Практически наиболее важными элементами, всегда входящими в состав чугунов, являются кремний и марганец. Изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном содержании марганца, получают различное количество углерода в свободном виде, т.е. различную степень графитизации

 В структуре чугунов встречается также структурная составляющая, называемая фосфидной эвтектикой. Она образуется вследствие присутствия в чугуне фосфора. Фосфидная эвтектика улучшает жидко текучесть чугуна; будучи очень твердой составляющей, она так же повышает его твердость и износостойкость. Однако при значительном количестве в структуре чугуна фосфидной эвтектики увеличивается его хрупкость и затрудняется обработка резанием.

Маркировка этих чугунов осуществляется по следующему принципу. Серые чугуны (в числе модифицированные) - пишутся две буквы СЧ и затем указывается предел прочности при растяжении и изгибе (например, СЧ 18-36, здесь 18 -_В кгс/мм², 36 - _ИЗГ кгс/мм² ).

Высокопрочными называют чугун с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кристаллизации.         Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений. Такой высокопрочный чугун с шаровидной, или глобулярной, формой графита получается при введении в жидкий металл магния (0,03 - 0,07%) или введением магниевых лигатур с никелем или ферросилицием.

Маркировка высокопрочных чугунов. По ГОСТу высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ, затем следую цифра, которая показывает минимальное значение временного сопротивления ( в 10^-1 МПа (кгс/мм²)),

Ковким называется чугун, получаемый отжигом до эвтектического белого чугуна. При отжиге цементит белого чугуна распадается и углерод выделяется в свободном состоянии, образуя хлопьевидные включения графита. Эту форму графита принято называть углеродом отжига.

Ковкий чугун маркируется буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры указывают временное сопротивление (в 10-1 МПА (кгс/мм2)), вторые относительное удлинение ( в %).

33

СЧ-20 Серые чугуны (графит пластинчатой формы) Феррито-перлитные Предел прочности, МПа, (кгс/мм²) при растя­жении 196 (20) Предел прочности, МПа, (кгс/мм²) при изгибе 392 (40) Относи­тельное удлине­ние, %, не менее 1. Назначение: станины станков и механизмов, поршни, цилиндры

КЧ-35-10 Ковкие чугуны (графит хлопьевидной формы).Ферритные. Предел прочности, МПа, (кгс/мм²) при растя­жении 333 (35) Относи­тельное удлине­ние, %, не менее 10 . Назначение: фланцы, муфты

ВЧ 60-2 Высокопрочные (магнитные) чугуны (графит шаровидной формы) Перлитные

Относи­тельное удлине­ние, %, не менее 2. Предел прочности, кгс/мм² при растя­жении 60. Назначение: цилиндры, поршни

34 Серый чугун в своей стриктуре содержит графит пластинчатой формы .Отливки из этого чугуна получают в земляных и металлических (чугунных) формах — кокилях. С увеличением толщины отливки и, следовательно, с замедлением охлаждения и при повышенном содержании кремния образуется больше графита и его пластинки крупнее, а в металлической основе возрастает количество феррита. У отливок меньших размеров и при несколько пониженном содержании кремния (или соответственно при более высоком содержании марганца количество графита уменьшается, а металлическая основа становится феррито-перлитной и пер­литной, что повышает прочность. Из-за сравнительной простоты отливки серые чу­гуны были самым распространенным видом. Однако их механические свойства (осо­бенно пластичность) ниже, чем у других чугунов с графитом. Серые чу­гуны используют для менее ответственного назначения и при отсутствии ударных нагрузок.

35 Ковкий чугун имеет в структуре графит хлопьевидной формы и в связи с этим более высокие механические свойства, прежде всего пластичность. Од­нако процесс получения ковких чугунов сложнее. Чугуны с более высокими свойст­вами выплавляют в электрических печах, что позволяет уменьшить в них содержание углерода и полнее удалить серу и фосфор. Все ковкие чугуны содержат, кроме того, меньше кремния. В отливке они должны получать структуру белого доэвтектического чугуна. Отливки должны быть сравнительно небольшими, чтобы задержать графитизацию при сравнительно ускоренном охлаждении.

Последующая графитизация отливок для получения окончательной структуры * с хлопьевидным графитом и повышенных механических свойств происходит при на­греве до 950—980 °С, т. е. в твердом состоянии и в процессе медленного охлаждения. Это требует очень длительного времени: до 50—100 ч. Ковкие чугуны более целесооб­разно использовать для тонкостенных деталей

36 Высокопрочный чугун имеет графит шаровидной формы что в мень­шей степени нарушает сплошность металлической основы (особенно по сравнению с графитом пластинчатой формы). Прочностные свойства этих чугунов наиболее вы­сокие; они не уступают в прочности углеродистым конструкционным сталям, подвер­гаемым термической обработке, но пластичность высокопрочных чугунов, ниже, чем у стали и у ковкого чугуна. Высокопрочные чугуны получают модифицированием магнием (или церием) в ковше жидкого чугуна, выплавляемого в электропечах и в вагранке с охлаждением как и серых чугунов в земляных и "металлических формах. Использование в промышленности высокопрочных чугунов, главным образом для массивных отливок, из-за повышенных механических свойств возрастает за счет серых чугунов.

37 Отбеленный чугун имеет в сердцевине структуру серого или высокопрочного чугуна, а в поверхностном слое повышенной твердости (НВ450—550) — ледебурит и перлит. Это создает высокую износостойкость, но резко ухудшает обрабатываемость резанием. Отбеленный чугун используют в ограниченных пределах для деталей про­стой формы, получающих чистую поверхность при литье, выполняемом отливкой в металлические кокили, т. е. в условиях ускоренного охлаждения поверхностных слоев.

38 Влияние примесей на свойства стали Постоянными примесями в углеродистых сталях являются: марганец, кремний, сера, фосфор, а также скрытые примеси — газы: кислород, азот, водород.

Полезными примесями являются марганец и кремний. Их вводят в сталь в процессе выплавки для раскисления:

FeO + Мn → МnО + Fe; 2FeO + Si → SiO2 + 2Fe.

В углеродистой стали содержится до 0,8 % Мn. Марганец, помимо раскисления, в этих количествах полностью растворяется в феррите и упрочняет его, увеличивает прокаливаемость стали, а также уменьшает вредное влияние серы: FeS + Мn → MnS + Fe.

В полностью раскисленной углеродистой стали содержится до 0,4 % Si. Кремний является полезной примесью, так как эффективно раскисляет сталь и, полностью растворяясь в феррите, способствует его упрочнению.Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основным источником серы в стали является исходное сырье — чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, особенно при низких температурах, а также сообщает стали красноломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали. Она образует с железом соединение FeS — сульфид железа, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца благодаря высокой ликвации серы в стали может образоваться легкоплавкая эвтектика Fe—FeS (T_пл = 988 °С). Эвтектика располагается по границам зерен. При нагреве стальных заготовок до температур горячей деформации включения эвтектики сообщают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Марганец устраняет красноломкость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около 1 620 °С, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем, сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.

Повышенное (до 0,2 %) содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления крепежных деталей неответственного назначения. Сера улучшает обрабатываемость стали.

Основной источник фосфора — руды, из которых выплавляется исходный чугун. Фосфор является вредной примесью, способной в количестве до 1,2 % растворяться в феррите. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфор резко отличается от железа по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Поэтому фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.

Скрытые примеси — кислород, азот, водород — находятся в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо образуют химические соединения (нитриды, оксиды), либо присутствуют в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют углеродистую сталь хрупкими неметаллическими включениями, способствуя снижению вязкости и пластичности стали. Водород находится в твердом растворе и особенно сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода, особенно в хромистых и хромо-никелевых сталях, приводит к образованию внутренних трещин — флокенов.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрицательное влияние на свойства, ухудшая пластические и вязкие характеристики стали. Поэтому вакуумирование является важной операцией для улучшения свойств стали.

Кроме того, в углеродистых сталях присутствуют такие случайные примеси, как Сr, Ni, Сu, наличие которых обусловлено загрязненностью шихты.

По качеству, то есть по условиям производства (способу производства и содержанию вредных примесей), стали и сплавы делятся на следующие группы:

	сера,%	фосфор,%
• обыкновенного качества (рядовые)	менее 0,06	менее 0,07;
• качественные	менее 0,04	менее 0,035;
• высококачественные	менее 0,025	менее 0,025;
• особо высококачественные	менее 0,015	менее 0,025.

Стали обыкновенного качества по химическому составу - углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах.

Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов, так как отличаются повышенными ликвацией (химической и структурной неоднородностью) и количеством неметаллических включений.

Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные. Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки.Стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов.

Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные - в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств.По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами. 

39 Ликвация- это неоднородность химического состава по сечению образца.

Ликвация по плотности. При кристаллизации сплавов по диаграмме состояния, образующих ограниченные твердые растворы, нередко можно наблюдать явление, называемое ликвацией по плотности. Например, в сплавах Sb-Pb выделяющиеся в процессе кристаллизации кристаллы  (твердого раствора Sb в Pb) или  (твердого раствора Pb в Sb) различаются по плотности от оставшейся жидкой части сплава и вследствие этого либо всплывают кристаллы  и соответственно оседают на дно кристаллы , либо наоборот. Поэтому в медленно охлажденном доэвтектическом сплаве указанной системы в результате ликвации верхняя часть слитка обогащается сурьмой и состоит только из эвтектики, а нижняя содержит избыточных кристаллов  и небольшое количество эвтектики. Чтобы предупредить ликвацию по плотности, сплав быстро охлаждают, а иногда добавляют третий компонент, кристаллизующийся первым в виде разветвленных дендритов, препятствующих расслоению сплава.

Сера <0,035 - 0,06 Она является вредной примесью в стали, образуя FeS, что является причиной появления легкоплавкой эвтектики, что является причиной красноломкости, но марганец образуя с серой MnS исключает ее. Сернистые включения снижают ударную вязкость пластичность, снижает порог хладноломкости "сульфидный парадокс". Сера ухудшает свариваемость и коррозийную стойкость.

Ликвация вредных примесей – (S и P) – делит на 3 группы: 1) обыкновенного качества S и P не более 0,05, 2) качественные S и P не более 0,04 3) повышенного качества менее 0,03. Микроанализ стали.

Фосфор он тоже является вредной примесью. Увеличивает пределы прочности и текучести, искажая кристаллическую решетку. При этом уменьшает пластичность и вязкость. Повышает порог хладноломкости и уменьшает работу развития трещин. Способствует охрупчиванию, в результате к сегрегации по границам зерен

.40 Вредными примесями в стали являются сера и фосфор.

Основным источником серы в стали является исходное сырье — чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, особенно при низких температурах, а также сообщает стали красноломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали. Она образует с железом соединение FeS — сульфид железа, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца благодаря высокой ликвации серы в стали может образоваться легкоплавкая эвтектика Fe—FeS (T_пл = 988 °С). Эвтектика располагается по границам зерен. При нагреве стальных заготовок до температур горячей деформации включения эвтектики сообщают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Марганец устраняет красноломкость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около 1 620 °С, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем, сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.

Повышенное (до 0,2 %) содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления крепежных деталей неответственного назначения. Сера улучшает обрабатываемость стали.

41 Автоматные стали (ГОСТ 1414-75) содержат 0,08...0,45% углерода и повышенное содержание серы (0,05...0,3%), фосфора (0,05...0,16%) и часто марганца (0,6...1,55%). Обогащение границ зерен феррита растворенным в нем фосфором и образование хрупких включений (MnS и др.) на границах зерен стали облегчают резание, способствуют дроблению и лег­кому отделению стружки, обеспечивая чистоту обрабатываемой поверхности. Срок службы режущего инструмента при обработке автоматных сталей увеличивается. Улучшение обрабатываемости стали достигается также микролегированием свинцом, селеном, кальцием. Однако введение этих элементов понижает прочностные характеристики стали, поэтому их применяют для изготовления малоответственных деталей, от которых не требуется высоких механических свойств. Автоматные стали получили свое наименование в связи с их обработкой на станках-автоматах с повышенной скоростью резания (ЧПУ) для изготовления деталей массового спроса (шайбы, болты, гайки, шпильки и некоторые другие детали автомобилестроения). В обозначении марки первая буква А указывает, что сталь автоматная; цифры в ней показывают содержание углерода в сотых долях процента (например, All, А40Г). Индекс "АС" в начале марки указывает, что сталь автоматная микролегирована свинцом (например, АС35Г2), а индекс "АЦ" - кальцием (АЦ45Х, АЦ40Г2 и др.).

42 Машиностроительные

ст4 – об. кчества, констр.

40 – качественные, для валов (Улучшение или ТВЧ) Прокаливаемость до 15мм

40Х – легированная

40ХНМА – высокачественная.

43 В доэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествует вы­деление из аустенита феррита, а в заэвтектоидных — цементита, коли­чество которых с понижением температуры уменьшается до нуля в районе

Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали с графиками скоростей охлаждения (П — перлит, С — сорбит, Т — тростит, М — мартенсит)

выступа левой С-образной кривой диаграммы превращения переохлажден­ного аустенита.

При высоких скоростях охлаждения, равных или больших \/цр, напри­мер, \/5, диффузионный распад аустенита подавляется и он переохлажда­ется до интервала температур М„...Мк (Мц—температура начала, а Мц— конца мартенситного превращения) (рис.8.2). По мере дальнейшего охлаждения от Мц до Мц происходит бездиффузионное полиморфное прев­ращение аустенита в предельно неравновесную структуру — мартенсит. Он представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углеро­да в а-железе с тетрагональной кристаллической решеткой и обладает

высокими твердостью и хрупкостью из-за сильного пересыщения углеро­дом. Происходит закалка стали. Минимальная скорость охлаждения, не­обходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скорость» заколки (на рис.8.2 Vnp — кривая охлаждения, касательная к выступу С-образной кривой).

Охлаждение со скоростью ¥4 приводит к образованию структуры тростит + мартенсит ( см. рис.8.2).

В диаграмме изотермического превращения кривая 1 характеризует начало распада аустенита, кривая 2 показывает время, необходимое для полного распада аустенита. Длительность инкубационного периода характеризует устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума (t₂), и далее вновь возрастает.         Уменьшение устойчивости аустенита и роста скорости его превращения с увеличение скорости переохлаждения объясняется с возрастанием разности свободных энергий Гиббса аустенита и образующимися фазами (структурой).         При этом, как мы указывали выше, уменьшается размер критического зародыша, способного к росту, и возрастает количество объема в исходном аустените, в которых могут возникнуть зародыши новой фазы. Повышение устойчивости аустенита и уменьшение скорости его превращения при больших степенях переохлаждения вызывается снижением скорости образования и роста новых фаз вследствие замедления процесса диффузии.          При переохлаждении аустенита до температуры, равной или ниже точки М_н, диффузионные процессы полностью подавляются. При более низких температурах протекает бездиффузионное превращение аустенита в структуру закаленной стали - мартенсит.         В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три области или три ступени превращения: перлитную, промежуточного превращения (промежуточного между перлитным и мартенситным превращением) и мартенситную.

44 Отжиг стали - термическая обработка, включающая при полном отжиге нагрев до температуры выше верхних критических точек на 30...50°С, выдержку при такой температуре до полного прогрева металла и последующее очень медленное охлаждение (вместе с охлаждаемой печью). При неполном отжиге нагрев стали производится до температур выше нижних критических точек на 30...50°С, а при низкотемпературном отжиге - до температур, лежащих ниже нижних критических точек. При неполном и низкотемпературном отжигах происходит только частичная перекристаллизация. Структура стали после отжига образуется в полном соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов.Отжиг стали производится в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, получить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании.Разновидностями отжига сталей являются нормализационный и изотермический отжиги.

45 Нормализационный отжиг (нормализация} - вид термической обработки стали, за­ключающийся в нагреве до температуры на 30...50°С выше верхних, критических точек, вы­держке и охлаждении на спокойном воздухе. В результате нормализации стали с содержанием углерода менее 0,3% приобретают ферритно-перлитную структуру, а стали с содержанием углерода 0,3...0,7% - сорбитную.Нормализация применяется в тех случаях, когда необходимо получить мелкозернистую однородную структуру с более высокой твердостью и прочностью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига. При нормализации в заэвтектоидных сталях устраняется цементитная сетка, поэтому ею часто заменяют полный или неполный отжиг при подготовке углеродистых сталей к механической обработке. Нормализация более производительный и экономичный процесс, чем отжиг.

46-47. Закалка стали - термическая обработка, включающая нагрев до температур выше верхних критических точек на 30...50°С, выдержку при этих температурах до полного прогрева металла и последующее очень быстрое его охлаждение. В результате закалки в стали из аустенита образуется мартенсит. Стали, подвергающиеся закалке, характеризуются закаливаемостью и прокаливаемостью.

Закаливаемость - способность стали повышать твердость в результате закалки.

Прокаливаемость - способность стали образовывать закаленный слой со структурой мартенсита и высокой твердостью. Прокаливаемость образца характеризуется максимально получаемой твердостью по сечению изделия (образца). При неполной прокаливаемости ее конкретная величина определяет возможность получения при закалке материала с установ­ленным значением твердости на определенной глубине. Полная прокаливаемость, то есть наличие мартенситной структуры по всему сечению изделия, называется сквозной.

Стали с малым содержанием углерода закалить на мартенсит очень трудно, так как начало и конец процесса образования мартенсита происходит в области высоких температур, соответствующих образованию других, более устойчивых структур (троостит, сорбит). Прокаливаемость обыкновенной углеродистой стали распространяется на 5...7 мм.

Микроструктура закаленной стали зависит от ее химического состава и условий закалки (температуры нагрева и режима охлаждения). Закалка стали с содержанием углерода до 0,025...0,03% задерживает выделение третичного цементита по границам зерен и не меняет структуру феррита. Такая закалка повышает пластичность и почти не изменяет прочностных характеристик.

Микроструктура стали с 0,08...0,15% С (с нагревом выше верхних критических точек и охлаж­дением в воде) представляет собой низкоуглеродистый мартенсит с выделениями феррита. Дальнейшее увеличение содержания углерода (0,15...0,25%) при тех же условиях закалки приводит к повышению твердости с 110...130 НВ до 140...180 НВ, а предел текучести возрастает на 30...50%. Наиболее значи­тельное изменение свойств происходит при содержании углерода более 0,30...0,35%.

Микроструктура доэвтектоидных сталей представляет собой мартенсит, кристаллы которого имеют характерную форму пластин (игл). При содержании углерода более 0,5...0,6% в микроструктуре сталей наблюдается незначительное (2...3%) количество аустенита.

Микроструктура заэвтектоидных сталей состоит из мартенсита, зерен вторичного цементита (не растворившегося при нагреве) и остаточного аустенита. Кристаллы (иглы) мартенсита очень небольших размеров. Повышение температуры закалки вызывает растворение вторичного цементита и способствует росту зерна.

В тех случаях, когда требуются высокая твердость и повышенная износостойкость поверхности при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины изделия, применяется поверхностная закалка, то есть закалка не на полную глубину. Поверхностной закалке под­вергаются стали при содержании углерода более 0,3%. Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали и составляет от 1,5 до 15 мм (и выше). Площадь сечения закаленного слоя не должна превышать 20% площади всего сечения. В практике наиболее часто используют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ).

Мартенситная структура стали после закалки .метастабильна и для ее превращения в более устойчивую производят отпуск.

Мартенсит стали - пересыщенный метастабильный твердый раствор внедрения углерода в a-Fe с искаженной кристаллической решеткой, получаемый при скорости охлажде­ния 150...200 град./сек. Минимальную скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается и превращается в мартенсит, называют критической скоростью закалки. При нагреве мартенсит переходит в более устойчивые структуры: троостит, сорбит и перлит.

Мартенсит стали получается путем реализации только первого этапа вторичной кристаллизации и имеет характерное пластинчатое, под микроскопом - игольчатое, строение. Рост пластин путем сдвига происходит мгновенно со скоростью около 1000 м/с по бездиффузионному механизму, так как диффузионный переход атомов из кристаллов аустенита в мартенсит при низких температурах невозможен.

Мартенсит имеет наибольший удельный объем по сравнению с другими структурными составляющими стали, и, особенно, с аустенитом. Увеличение удельного объема при образовании мартенсита приводит к возникновению при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.

При образовании мартенсита получают максимальные твердость (НВ 180...650) и хрупкость при минимальных плотности и вязкости. Твердость мартенсита возрастает с увеличением содержания в нем углерода. Однако увеличение содержания углерода повышает склонность мартенсита к хрупкому разрушению.

48 Закаливаемость - способность стали повышать твердость в результате закалки.

Прокаливаемость - способность стали образовывать закаленный слой со структурой мартенсита и высокой твердостью. Прокаливаемость образца характеризуется максимально получаемой твердостью по сечению изделия (образца). При неполной прокаливаемости ее конкретная величина определяет возможность получения при закалке материала с установ­ленным значением твердости на определенной глубине. Полная прокаливаемость, то есть наличие мартенситной структуры по всему сечению изделия, называется сквозной.

49 Остаточный аустенит обладает пониженным пределом упругости, что снижает сопротивление стали малым пластическим деформациям.

Остаточный аустенит обладает пониженным пределом упругости, что снижает сопротивление стали малым пластическим деформациям

Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в  - железе. предельная растворимость углерода в  - железе 2,14%. Атом углерода в решетке  - железа располагается в центре элементарной ячейки, в которой может поместиться сфера радиусом 0,41 атомного радиуса железа. и в дефектных областях кристалла. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести прочности. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна

Остаточный аустенит обладает пониженным пределом упругости, что снижает сопротивление стали малым пластическим деформациям.

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше Ас3 или выше Аcm переохладить ниже температуры Ar1, то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращения

При переохлаждении аустенита до температуры, равной или ниже точки Мн, диффузионные процессы полностью подавляются. При более низких температурах протекает бездиффузионное превращение аустенита в структуру закаленной стали - мартенсит.В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три области или три ступени превращения: перлитную, промежуточного превращения (промежуточного между перлитным и мартенситным превращением) и мартенситную. Знание этих превращений важно для решения многих практических задач, Перлитное превращение протекает в процессе отжига стали, а мартенситное – при закалке стали. Промежуточное превращение важно для понимания так называемой изотермической закалки стали.

Обработка стали холодом. В закаленной стали, особенно содержащей 0,4 - 0,5 % С, у которой точка Мн лежит ниже нуля, всегда присутствует остаточный аустенит. Для его уменьшения применяют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до температуры ниже нуля, что увеличивает ее твердость. Для уменьшения закалочных дефектов обработку холодом желательно выполнять после закалки, а затем для снятия внутренних напряжений провести отпуск.

50-51 В зависимости от соотношения температуры деформации и температуры рекристаллизации различают холодную и горячую деформацию.Холодной деформацию называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации ( 0,3 - 0,5) Тпл;Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры. ( 0,7 - 0,75 ) Тпл.При этих температурах деформация также вызывает упрочнение, ("горячий наклеп") которое полностью или частично снимается рекристаллизацией, протекающих при температурах обработки и при последующем охлаждении. В отличии от статической полигонизации и рекристаллизации, рассмотренных ранее, процессы полигонизации и рекристаллизации, происходящие в период деформации, называют динамическими.

Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуру мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокаливаемость) и не должно вызывать закалочных эффектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.         Чаще всего для закалки используют кипящие жидкости - воду, водные растворы щелочей и солей, масла.          При закалке в этих средах различают три периода: пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется "паровая рубашка"; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод теплоты;конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости: тепло отвод в этот период идет с наименьшей скоростью.

        Вода как охлаждающая среда имеет существенные недостатки: высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры воды резко ухудшается ее закалочная способность.         Масло как закалочная среда имеет преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур; постоянство закаливающей способности в широком интервале температур (20-1500С). К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость (температура вспышки 165 - 3000С); недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а так же повышенную стоимость.