2. Кристаллизация металлов. Законы кристаллизации, факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Модифицирование, строение металлического слитка. Виды ликвации.

ОТВЕТ:

При переходе из жидкого состояния в твёрдое образуется кристаллическая решетка. Это явление называется кристаллизация. В природе все превращения обусловлены тем, что новое их состояние является более энергетически устойчиво, поэтому любая система стремится занять более термодинамически устойчивое состояние.

Рис.1.

Выше температуры меньшей энергией обладает вещество в жидком состоянии. При температуре величина энергии в жидком и твёрдом состоянии равна и при этом может идти как кристаллизация, так и переход в жидкое состояние. Процесс кристаллизации описывает кривые охлаждения и нагрева (рис.1.).

При охлаждении жидкой фазы до температуры кристаллизации для кривой зависимости T-τ имеется горизонтальная площадка соответствующих температур кристаллизации. Кривые получены в результате дифракционно-термического анализа.

Процесс кристаллизации состоит из нескольких стадий:

а) образование зародышей или центров кристаллизации,

б) рост кристаллов из этих центров.

Кинетическая кривая состоит из двух участков. Скорость процесса кристаллизации определяется двумя скоростями:

1. скорость зарождения центров кристаллов,

2. скорость роста кристаллов.

В целом скорость кристаллизации зависит от температуры переохлаждения.

Модель процесса кристаллизации предусматривает:

1. по мере развития процесса кристаллизации, в нём участвует всё большее и большее количество кристаллов. Процесс ускоряется до тех пор, пока столкновения образовавшихся кристаллов не препятствуют их росту. Рост кристаллов замедляется. Количество жидкой фазы уменьшается.

2. В процессе кристаллизации до тех пор, пока кристалл окружён жидкостью, он меняет правильную форму, однако, при столкновении и срастании кристаллов правильная форма начинает нарушаться и внешняя форма становится зависимой от условий.

Кристаллы не имеют правильной формы. Размер и форма образовавшихся кристаллов зависит от величины скорости кристаллизации. При большой величине скорости кристаллизации и малых значениях центров кристаллизации, образуются крупнозернистые структуры. При малой величине скорости кристаллизации и большом количестве центров кристаллизации, образуется большое количество мелких кристаллов.

Закон кристаллизации.

Рис.2. Изменение свободной энергии жидкого и кристаллического состояния в зависимости от температуры.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Из кривых, приведённых на рисунке 2 видно, что это возможно только тогда, когда жидкость будет охлаждена ниже точки . Температура, при которой практически начинается кристаллизация, может быть названа фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением.

Указанные причины обуславливают и то, что обратное превращение из кристаллического состояния в жидкое может произойти только выше температуры ; это явление называется перенагреванием.

Величиной или степенью переохлаждения называют разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации.

Рис.3. Кривая Чернова-Таммана.

Структура литого слитка состоит из трёх основных зон. Первая зона – наружная мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов – дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.

Вторая зона слитка – зона столбчатых кристаллов. После образования самой корки условия теплоотвода меняются (из-за теплового сопротивления, из-за повышения температуры стенки изложницы и других причин), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинает расти нормально ориентированные к поверхности корки (то есть в направлении отвода тепла) столбчатые кристаллы.

Третья зона слитка – зона равноосных кристаллов. В центре слитка уже нет определённой отдачи тепла. «Температура застывающего металла успевает почти совершенно уравниваться в различных точках и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние, вследствие образования в различных её точках зачатков кристаллов. Далее зачатки разрастаются осями – ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с другом» (Чернов Д.К.).

Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизации.

Виды ликвации.

Ликвация – химическая неоднородность.

а) зональная ликвация	P, S (0,05%)
б) дендритная ликвация
в) по удельному весу

Химическая неоднородность по зонам слитка. Самая грязная часть – внутренняя.

а) зональную ликвацию можно частично устранить обработкой давлением.

б) междентдритное пространство загрязнено примесями. Устраняется диффузионным высокотемпературным отжигом.

в) Pb-Sb. Устраняется перемешиванием или добавляют эти элементы.

3. Основы теории строения сплавов. Типы сплавов: смеси, твердые растворы, химические соединения. Диаграммы строения сплавов. Их основные виды, связь между видом диаграммы и изменением свойств сплавов. (правило Курнакова).

ОТВЕТ:

Сплавом называю вещество, полученное из двух или более компонентов.

Компонент – вещество, образующее систему, взятое в наименьшем числе.

Система – группа тел, выделенная для наблюдения и изучения.

В металловедении системы: металлы и металлические сплавы.

Металлы – простые однокомпонентные системы.

Фаза – однородная часть системы, имеющая границы раздела, при переходе через которую скорость меняется скачком (могут быть жидкими и твёрдыми).

Существует три типа сплавов:

1. механическая смесь

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, тогда когда они не способны к взаимному растворению в твёрдом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

а) сохраняется решётка обоих компонентов

б) двухфазная смесь

в) отличительное свойство: металлический тип связи между атомами

г) свойства изменяются по прямолинейному закону

д) можно выделить чистый компонент

2. химическое соединение

При образовании химического соединения:

а) соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции, что может быть выражено простой формулой (в общем виде химическое соединение двух элементов можно обозначить ),

б) образуется специфическая (отличная от элементов, составляющих химическое соединение) кристаллическая решётка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов.

Химическое соединение также характеризуется определённой температурой плавления (диссоциации), скачкообразным изменением свойств при изменении состава (так называемой сингулярностью свойств).

При образовании химического соединения металла с неметаллом возникает ионная связь.

3. твёрдый раствор

Образуется тогда, когда сохраняется решётка одного из компонентов, а второй компонент либо внедряется в решётку растворителя, образуя твёрдые растворы замещения, либо замещая атомы растворителя решётки.

а) твёрдый раствор на основе одного из компонентов сплава

Твёрдый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решётку. Твёрдый раствор существует не при определённом соотношении компонентов, а в интервале концентраций.

Строение твёрдых растворов на основе одного из компонентов сплава таково, что в решётку основного металла-растворителя входят атомы растворённого вещества. Здесь возможны два принципиально различных случая.

= Твёрдые растворы замещения.

Могут быть ограниченными и неограниченными. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В.

= Твёрдые растворы внедрения.

При образовании твёрдого раствора сохраняется решётка одного из элементов и этот элемент называется растворителем.

б) твёрдый раствор на основе химического соединения

В этих случаях сохраняется решётка химического соединения , но избыточное количество атомов, например атомов В, растворяется, заменяя в решётке какое-то количество атомов А. Возможно также растворение и третьего элемента С в химическом соединении.

Твёрдые растворы на базе химических соединений, образование которых сопровождается появлением пустых мест в узлах решётки, называется растворами вычитания.

Не всякое соединение может растворять избыточное количество элементов, его составляющих, то есть существуют соединения, которые не образуют твёрдых растворов из компонентов их составляющих, но вместе с тем имеются и такие соединения, которые существуют только в виде твёрдых растворов и не существуют как чистое химическое соединение при стехиометрическом соотношении атомов. Так, например, точный состав соединения CuAl₂ соответствует 54,1% (по массе) Cu. В действительности это соединение существует при наличии от 53,25 до 53,9% Cu, то есть существует лишь при условии замены части медных атомов алюминиевыми. Без этой замены решётка CuAl₂ не может существовать. Такие химические соединения, существующие лишь как твёрдые растворы и не существующие при точном стехиометрическом соотношении, называются бертоллидами, в отличие от дальтонидов существующих при стехиометрическом отношении компонентов.

Существование бертоллидов и дальтонидов было впервые обнаружено академиком Н.С.Курнаковым, который и дал эти названия в честь знаменитых учёных-химиков начала прошлого века Дальтона и Бертолле, которые спорили о том, что понимать под химическим соединением. Спор полностью не разрешён и в настоящее время.

В 1914 г. Н.С.Курнаковым было обнаружено явление упорядочивания. При изучении электросопротивления сплавов меди и золота было найдено изменение их свойств без видимого изменения микроструктуры. Впоследствии применением рентгеновского анализа было показано, что изменение свойств связано с перераспределением атомов внутри кристаллической решётки. В обычных твёрдых растворах атомы растворённого элемента распределяются в решётке растворителя беспорядочно. Однако при известных условиях атомы занимают определённые места в узлах решётки, то есть от неупорядоченного расположения переходят в упорядоченное. Подобный процесс носит название упорядочивания, а растворы с упорядоченным расположением атомов растворённого элемента – упорядоченными твёрдыми растворами.

4. Железо и его сплавы. Железо и его соединения с углеродом. Диаграмма железо-цементит. Компоненты, фазы и структурные составляющие сталей и белых чугунов, их характеристики, условия образования и свойства. Стали. Влияние углерода и примесей на структуру и свойства стали. Классификация углеродистых сталей по структуре, качеству и назначению. Маркировка. Чугуны. Свойства и назначение чугунов. Чугуны серые, ковкие и высокопрочные. Их свойства, получение и маркировка.

ОТВЕТ:

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники.

Диаграмма железо-углерод, как ясно из названия, должна распространяться от железа до углерода.

Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит - .

Каждое химическое соединение можно рассматривать как компонент, и диаграмму можно рассматривать по частям.

Рассмотрим только часть системы от железа до химического соединения ( - цементит). Это не только упрощает задачу знакомства с системой, но оправдано ещё и тем, что на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода не более 5% (цементит содержит углерода 6,7%).

Следовательно, рассматривая диаграмму железо-углерод в участке от железа до цементита, компонентами системы можно считать железо и цементит. В таком случае до рассмотрения системы следует ознакомиться со свойствами и строением этих компонентов.

Температура плавления железа 1539ºС (±5ºС).

В твёрдом состоянии железо может находиться в двух модификациях – α (ОЦК) и γ (ГЦК).

Существенным и принципиально важным фактором является то обстоятельство, что α-железо существует в двух интервалах температур ниже 911ºС и от 1392ºС до 1539ºС. Объяснение этому следует искать в определённом изменении величины свободной энергии в зависимости от температуры.

Свободная энергия α-железа () меньше свободной энергии γ-железа () при температуре ниже 911ºС и выше 1392ºС. В интервале 911-1392ºС меньшей свободной энергией обладает гранецентрированная упаковка атомов железа. Вот почему при нагреве при 911ºС происходит α→γ-превращение. Высокотемпературная модификация α-железа (иногда называемая δ-железом) не представляет собой новой аллотропической формы.

При 768ºС железо испытывает магнитное превращение; выше 768ºС железо становится немагнитным.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Особо следует рассмотреть образование растворов углерода в железе. Растворимость углерода в железе существенно зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо. Растворимость углерода в α-железе ничтожно мала (менее 0,02%) и в сто раз больше (до 2%) в γ-железе.

Твердый раствор углерода и других элементов в α-железе называется ферритом, а в γ-железе – аустенитом.

Цементит – это химическое соединение углерода с железом (карбид железа) . Состав цементита 75% (атомн.) Fe и 25% (атомн.) С или 6,67% (по массе) С – остальное железо. Так как растворимость углерода в α-железе мала, то при нормальных температурах в большинстве случаев в структуру стали входят высокоуглеродистые фазы в виде цементита и другого карбида.

Температура плавления цементита – около 1250ºС. Аллотропических превращений цементит не испытывает, но при низких температурах он слабо ферромагнитен. Магнитные свойства цементит теряет при 217ºС. Цементит имеет высокую твёрдость (>800 НВ, царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Эти свойства являются, вероятно, следствием сложного строения кристаллической решётки цементита.

У всех сплавов, содержащих менее 2,14% С, в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита; у всех сплавов, содержащих более 2,14% С, структура состоит из ледебурита с избыточным аустенитом или цементитом.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие менее 2,14% С, называются сталями, а более 2,14% С – чугунами.

Различают три группы сталей:

= эвтектоидные, содержащие около 0,8% С, структура которых состоит не только из перлита;

= доэвтектоидные, содержащие меньше 0,8% С, стрктура которых состоит из феррита и перлита;

= заэвтектоидные, содержащие от 0,8% до 2% С, структура которых состоит из перлита и цементита.

Углеродистая сталь промышленного производства – сложный по химическому составу сплав. Кроме основы – железа (содержание которого может колебаться в пределах 97,0-99,5%), в ней имеется много элементов, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (марганец, кремний), либо невозможностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), а также случайными примесями (хром, никель, медь и др.).

В зависимости от способа выплавки (мартеновский, конвертерный и др.) стали разных производств различаются главным образом по содержанию этих примесей. Однако один элемент, а именно – углерод, вводится в простую углеродистую сталь специально.

Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому при малом содержании всех прочих возможных примесей основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сплава железа, является углерод. Естественно, что эти сплавы (при С<2%) называются углеродистыми сталями.

Твёрдость и прочность стали могут быть увеличены в результате термической обработки в два-три раза (если сравнивать с отожжённым состоянием, медленно охлаждённым), а модули упругости при этом изменяются менее чем на 5%.

с изменением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая 0,8% С, состоит из одного перлита; в стали, содержащей больше 0,8% С, кроме перлита, имеется вторичный цементит; если содержание углерода меньше 0,*%, то структура стали состоит из феррита и перлита.

Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности.

Постоянными примесями сталей считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород), в том или ином количестве постоянно присутствующие в технических сортах стали. Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами, %: 0,8 Mn; 0,5 Si; 0,05 P; 0,05 S.

При большем содержании их сталь следует отнести к сорту легированных, когда эти элементы введены специально (отсюда и название легированные стали или специальные стали).

= Марганец. Этот элемент вводят в любую сталь для раскисления.

= Кремний. Аналогично марганцу.

= Фосфор. Создаёт хрупкость, облегчает обрабатываемость стали режущим элементом, а в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

= Сера. Облегчает обрабатываемость резанием. Влияет на вязкие свойства. Понижает порог хладноломкости, хотя и понижает ударную вязкость при вязком изломе.

= Газы.

= Примеси цветных металлов. Повышают порог хладноломкости.

В соответствии с ГОСТ 380-71 стали разделяются на три группы:

а) Группа А – с гарантированными механическими свойствами (сталь не подвергается горячей обработке)

б) Группа Б – с гарантированным химическим составом (сталь подвергается горячей обработке)

в) Группа В – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (для сварных конструкций)

Сталь группы А маркируется буквами Ст и номером 0, 1, 2, 3 и так далее. Чем больше номер, тем выше прочность, но ниже пластичность. Если после марочного обозначения стоит «кп» - значит, сталь кипящая, если стоит «пс» - сталь полустойкая и если «сп», то сталь спокойная.

Сталь группы Б. Ст0 можно применять лишь в самых неответственных случаях.

Сталь группы В (изготовляется мартеновским или конвертерным способом) маркируется буквой В и цифрой. Сталь ВСт1 имеет механические свойства, как Ст1, а химический состав – как МСт1кп. То же модно сказать и о стали ВСт2, ВСт3 и так далее.

Белый чугун. Такое название он получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Фазовый состав белого чугуна (при нор­мальной температуре) цементит и феррит. Следовательно,. в белом чугуне весь углерод находится в форме цементита, степень графити­зации равна нулю. Белый чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью, практически не поддается обработке режущим инстру­ментом.

Структура белых чугунов, а также и условия их образования были рассмотрены ранее.

Серый чугун. Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит, количество, формы и размеры которого изменяются в широких пределах. Таким образом, в сером чугуне имеется графит, а в белом его нет.

В микроструктуре чугуна следует различать металлическую основу и графитные включения.

По строению металлической основы чугун разделяют на:

= перлитный чугун. Структура его состоит из перлита с включениями графита. Как известно, перлит содержит 0,8 % С, следовательно, это количество углерода в сером перлитном чугуне находится в связанном состоянии (т. е. в виде Fе₃С), остальное коли­чество находится в свободном виде, т. е. в форме графита;

= феррито - перлитный чугун. Структура этого чугуна состоит из феррита + перлит и включения веретенообразного гра­фита. В этом чугуне количество связанного углерода меньше 0,8 % С;

= ферритный чугун. В этом чугуне металлической осно­вой является феррит, и весь углерод, имеющийся в сплаве, присут­ствует в форме.

Из рассмотрения структур указанных трех видов чугуна можно заключить, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной стали, доэвтектоидной стали и железа.

Следовательно, по структуре серые чугуны отличаются от стали только тем, что в чугунах имеются графитные включения, пред­определяющие специфические свойства чугунов.

Графит в чугуиах может быть в четырех основных формах:

= пластинчатый графит. В обычном сером чугуне графит обра­зуется в виде лепестков; такой графит называется пластинчатым.

= вермикулярный графит - в виде червеобразных прожилок

= шаровидный графит. В современных так называемых высоко прочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния (или церия), графит приобретает форму шара.

= Хлопьевидный графит. Если при отливке получит белый чугун, а затем, используя неустойчивость цементита, с помощью отжига разложить его, то образующийся графит приобретает компактную, почти равновесную, но не округлую форму. Такой графит называется хлопьевидным или углеродом отжига. В практике чугун с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.

Таким образом, чугун с пластинчатым графитом называют обычным серым чугуном, с червеобразным графитом – серым вермикулярным; чугун с шаровидным графитом – высокопрочным чугуном и чугун с хлопьевидным графитом – ковким чугуном.

Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитных включений.

Чугун можно рассматривать как сталь, испещрённую большим количеством пустот и трещин. Чем больше в чугуне графита, тем ниже его механические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна.

Самые низкие механические свойства получаются тогда, когда графитные включения образуют замкнутый скелет.

Обычный промышленный чугун - не двойной железоуглеродистый сплав - он содержит те примеси, что и углеродистая сталь, т. е. марганец, кремний,_ серу и фосфор, но в большем количестве, чем сталь. Эти примеси существенно влияют на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах .колеблется в широ­ких пределах: от 0,3-0,5 до 3-5 %. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре - от малокремнистого белого до высококремнистого фер­ритного (серого с пластинчатым или высокопрочного с шаровид­ным графитом).

Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна.

Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухудшает литейные свойства (в частности, снижает жидкотекучесть), поэтому содержание серы в чугуне лимитируется: верхний предел для мелкого литья 0,08 %, для более крупного, когда можно до­пустить несколько худшую жидкотекучесть, до 0,1-0,12 % S.

Фосфор практически не влияет на процесс графитизации. Однако фосфор - полезная примесь в чугуне, так как он улучшает жидко­текучесть. Это объясняется образованием относительно легкоплавкой тройной эвтектики, плавящейся при 950ºС. В момент затвердевания эвтектика состоит из аустенита, обогащенного фосфором, цементитом и фосфидом железа Fе₃Р - «Стэдит».

Твердые участки фосфидной эвтектики повышают общую твёрдость и износоустойчивость чугуна.

Кроме этих постоянных примесей, в чугун часто вводят и другие элементы. Такие чугуны называются легированными. Если примеси содержались в рудах, из которых в доменной печи выплавляется чугун, то такие чугуны называются природно-легированными. Наи­более часто чугун легируют хромом, никелем, медью, алюминием, титаном. Хром препятствует, а медь и никель способствуют графи­тизации чугуна.

В настоящее время еще нет удовлетворительно разработанной теории, объясняющей влияние легирующих элементов на графи­тизацию.

Серый чугун маркируется буквами СЧ (серый чугун) и двумя цифрами, которые показывают минимальное значения предела прочности чугуна на растяжение.

Высокопрочный чугун (ВЧ) также подразделяется на отдельные марки в зависимости от механических свойств, причём основными показателями являются предел прочности при растяжении и относительное удлинение.

Ковкий чугун маркируется следующим образом: КЧ означает ковкий чугун. Затем ставят число, показывающее , и число, показывающее .

5. Пластическая деформация металлов и сплавов. Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов (наклеп). Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла. Возврат. Рекристаллизация. Холодная и горячая деформация.

Приложение к материалу напряжения вызывает деформацию.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решётке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.

При пластическом деформировании одна часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании.

Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причём между зёрнами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).

Упрочнение стали под действием пластической деформации называется наклёпом, или нагартовкой. Пластическая деформация осуществляется путём перемещения дислокаций.

Кристаллическая структура пластически деформированного ме­талла характеризуется не только искажением кристаллической ре­шетки, но и определенной ориентировкой зерен - текстурой.

Беспорядочно ориентированные кристаллы под действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации.

С увеличением деформации степень текстурованности возрастает и при больших степенях деформации достигает 100%, то есть все зёрна оказываются одинаково ориентированными. В результате деформации зерно только деформируется, сплющивается и из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепёшки, блина), сохраняя ту же площадь поперечного сечения.

С увеличением деформации уменьшается плотность металла. Уменьшение плотности при большой степени пластической деформации обусловлено образованием пор внутри и между зёрнами (так называемая деструкция).

Пластическая деформация вызывает изменение внутреннего строения зерна и его формы, а после определённой её величины и уменьшение плотности из-за образования несплошностей (пор).

Небольшой нагрев (для железа 300-400^ОС) снимает искажения решетки (как результат многочисленных субмикропроцессов - уменьшение плотности дислокаций в результате их взаимного уничтожения, так называемая аннигиляция, слияния блоков, уменьшение внутренних напряжений, уменьшение количе­ства вакансий и т.д.). Линии на рентгенограммах деформированного металла, размытые вследствие искажений решетки и нарушений ее правильности, вновь становятся четкими. Снятие искажений ре­шетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом, или отдыхом. В результате этого процесса твердость и прочность несколько понижаются (на 20-30 % по·сравнению с ис­ходными), а пластичность возрастает.

Наряду с этим, т. е. с отдыхом (возвратом), может происходить еще так называемый процесс полигонизации, заключающийся в том, что беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации собира­ются, образуя стенку и создавая ячеистую структуру, которая может быть устойчивой и может затруднить процессы, развивающиеся при более высокой температуре.

Рекристаллизация, то есть образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат и полигонизация, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Сопоставление температур рекристаллизации различ­ных металлов показывает, что между минимальной температурой рекристаллизации и температурой плавления существует простая зависимость ( - абсолютная температура рекристаллизации; - абсолютная температура плавления; - коэф­фициент, зависящий от чистоты металла). Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. У металлов обычной технической чистоты . Температура рекристаллизации сплавов, как правило, выше температуры рекристаллизации чистых металлов и в некоторых случаях достигает . Наоборот, очень чистые металлы имеют очень низкую температуру рекристаллизации: и даже .

После того, как рекристаллизация (1 стадия) завершена, строение металла и его свойства становятся прежними, то есть которые он имел до деформации.

Кроме чистоты металла, минимальная температура рекристаллизации зависит также и от степени предшествующей деформации. Чем больше степень деформации, чем более искажена структура, тем менее она устойчива, тем больше её стремление принять более устойчивое состояние. Следовательно, большая степень деформации облегчает процесс рекристаллизации и снижает минимальную температуру рекристаллизации.

Чтобы восстановить структуру и свойства наклёпанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путём прокатки, протяжки, волочения и т.п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

Пластическое деформирование выше температуры рекристаллизации, хотя и приводит к упрочнению, но это упрочнение устраняется протекающим при этих температурах процессом рекристаллизации. Рекристаллизация протекает не во время деформации, а сразу после её окончания и тем быстрее, чем выше температура. При очень высокой температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации, она завершается в секунды и даже в доли секунд.

При пластическом деформировании выше температуры рекристаллизации упрочнение и наклёп металла, если и произойдут, то будут немедленно сниматься динамической рекристаллизацией. Такая обработка, при которой нет упрочнения (наклёпа), называется горячей обработкой давлением. Обработка давлением (пластическая деформация) ниже температуры рекристаллизации вызывает наклёп и называется холодной обработкой.

Следовательно, пластическое деформирование железа при 600ºС следует рассматривать как горячую обработку, а при 400ºС – как холодную.

По мере повышения температуры твёрдость сначала слегка снижается вследствие явлений возврата. После отжига при температуре, несколько превышающей температуру рекристаллизации, твёрдость резко падает и достигает исходного значения (значения твёрдости до наклёпа). Эта температура и есть минимальная температура рекристаллизации, или порог рекристаллизации.

Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:

1. Первичная рекристаллизация, или рекристаллизация обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зёрна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зёрна;

2. Вторичная, или собирательная рекристаллизация, заключающаяся в росте зёрен и протекающая при более высокой температуре.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании новых зёрен. Это обычно мелкие, можно даже сказать очень мелкие зёрна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зёрен. К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из таких зёрен, то есть очень мелких зёрен, в поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент наступает процесс вторичной рекристаллизации, заключающийся в росте зёрен.

Рост кристаллов – процесс самопроизвольный, определяемый стремлением системы к уменьшению запаса внутренней энергии.

Возможны три существенно различных механизма роста зерна:

1) зародышевый – состоящий в том, что после первичной рекристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, и их рост приводит к образованию новых зёрен, но их меньше, чем зёрен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса зерна в среднем станут крупнее;

2) миграционный – перемещении границы зерна и увеличении его размеров. Так как крупное зерно термодинамически устойчивее мелкого, то растут крупные зёрна за счёт «поедания» мелких зёрен;

3) слияние зёрен – состоящее в постепенном «растворении» границ зёрен и объединении многих мелких зёрен в одно крупное.

6. Теория термической обработки стали. Основные превращения в стали. Превращения в стали при нагреве. Превращение переохлажденного аустенита. Превращение аустенита в мартенсит. Превращение мартенсита в перлит. Классификация видов ТО по А.А.Бочвару. Отжиг и его разновидности. Закалка. Основные параметры процесса. Закалочные среды. Закалочные напряжения. Способы закалки. Закаливаемость и прокаливаемость стали. Химико-термическая обработка. Цементация и цементируемые стали, режимы ТО после цементации. Азотирование и ТО улучшаемых сталей.

Технология металлов состоит из трёх основных видов:

= Металлургии – получение металла заданного состава,

= Механической технологии – получение из металла изделий заданной внешней формы,

= Термической обработки – получение заданных свойств.

Основные факторы воздействия при термической обработке – температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах t (температура) и (время).

Все виды термической обработки можно разделить на четыре основные группы .

ПЕРВАЯ ГРУППА. Предшествующая обработка может привести металл в неустойчивое состояние. Так, холодная пласти­ческая деформация создаёт наклёп - искажение кристаллической решетки. При затвердевании - не успевают протекать диффузион­ные процессы, и состав металла даже в объеме одного зерна оказы­вается неоднородным. Быстрое охлаждение или неравномерное приложение напряжений делает неравномерным распределение упру­гой деформации. Неустойчивое состояние при комнатной темпера­туре сохраняется долго, так как теплового движения атомов при комнатной температуре недостаточно для перехода в устойчивое состояние.

Нагрев (увеличение тепловой подвижности атомов) приводит к тому, что процессы, приводящие металл в устойчивое состояние (снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической ре­шетки, рекристаллизация, диффузия), достигают заметных ско­ростей.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла. который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его в более устойчивое со­стояние, называется отжигом.

Существуют два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых превращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг назы­вается отжигом первого рода. Если у сплава есть фазовое превращение, то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусловленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже относится к отжигу, но классифицируется как отжиг второго рода или фазовая перекристаллизация.

ВТОРАЯ ГРУППА. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно

себе представить такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой. Во многих случаях закалка не фиксирует совсем (или фиксирует не полностью) состояние сплава, устойчивое при высоких температурах. Поэтому предельный случай закалки, когда состояние сплава, характерное для высоких температур, фиксируется, называется истинной закалкой, в отличие от закалки в более широком смысле, когда фиксируется не состояние сплава при высокой тем­пературе, а некоторая его стадия структурного превращения, при которой в сплаве не достигнуто еще равновесное состояние.

Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхностный) нагрев.

Между закалкой и отжигом второго рода есть общее. И в том, в другом случае сплав нагревается выше температуры фазового превращения, и окончательное строение приобретает в результате превращения при последующем охлаждении. Однако между обоими видами имеется и принципиальная разница. При отжиге второго рода цель охлаждения - приближение сплава к равновесному состоянию, поэтому охлаждение проводят медленно. При закалке охлаждение быстрое, чтобы отдалить структурное состояние сплава от равновесн­ого.

ТРЕТЬЯ ГРУППА. Состояние закаленного сплава харак­теризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Нагрев сплава, увеличивающий подвижность атомов, способствует этим превращениям. При повышении температуры закаленный сплав все больше приближается к разновесному состоянию. Такая обработка, т. е. нагрев закаленного сплава, но ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется отпуском. И при отжиге первого рода, как и при отпуске, сплав приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно было результатом предварительной обработки, при которой, однако, не было фазовых превращений, а для отпуска - предшествовавшей закалкой. Таким образом, отпуск - вторичная операция, осушествляемая всегда после закалки. Отпуск иногда называют старением. В одних случаях ста­рением называют длительный низкотемпературный нагрев, объеди­няя при этом отжиг 1 рода и отпуск; в других - нагрев закаленной стали называют отпуском, а, нагрев закаленных, сплавов цветных металлов - старением. Сейчас рекомендуют такое разграничение отпуска и старения: отпуск - это нагрев закалённого сплава, имею­щего фазовые превращения; старение - это нагрев закаленного сплава, не имеющего фазовых превращений. В этом случае закален­ное состояние характеризуется пересыщением твердого раствора.

О т ж и г - термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая 'металл в более устойчивое состояние.

3 а к а л к а - термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым ох­лаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.

О т п у с к - термическая операция, состоящая в нагреве зака­ленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.

Кроме этих основных видов термической обработки, имеются еще два принципиально отличных способа, представляющих сочетание термической обработки с металлургией или механической техноло­гией.

Способность металлов растворять различные элементы позволяет при повышенных температурах атомам вещества, окружающего поверхность металла, диффундировать внутрь его, создавая поверх­ностный слой измененного состава. При этой обработке изменяется не только состав, но и структура поверхностных слоев, а иногда серд­цевины, Такая обработка называется химико-термической обработ­кой (ХТО). К этому виду химико-термической обработки относится как бы обратный процесс - удаление элементов путем подбора соот­ветствующих сред. Диффузионная подвижность неметаллов (С, N, О, Н, В) существенно отлична от подвижности металлов, поэ­тому химико-термическую обработку подразделяют на диффузион­ное насыщение неметаллами и металлами.

В последнее время применение получает обработка, в которой в едином технологическом процессе сочетаются деформация и структурные превращения. Такая обработка получила название деформационно-термическая.

Существенное значение имеет и такой факт, когда осуществляется пластическая деформация до или после превращения. Для того, чтобы разделить эти процессы, деформационно-термическую обработку разделяют на термомеханическую обработку ТМО (деформацию осуществляется до превращения) и механико-термическую обработку МТО (деформация осуществляется после превращения). Таким образом, к трём основным видам термической обработки (отжиг, закалка, отпуск) должны быть добавлены две сложные обработки:

Химико-термическая обработка – нагрев сплава в соответствующих химических реагентах для изменения состава и структуры поверхностных слоёв,

Деформационно-термическая обработка – деформация и последующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклёпа.

Характеристика основных видов термической обработки стали

О т ж и г - фазовая перекристаллизация, заключающаяся в на­греве выше А_С3 с последующим медленным охлаждением. При на­греве выше А_С1, но ниже А_С3 полная перекристаллизация не произой­дет; такая термическая обработка называется неполным отжигом. При отжиге состояние стали приближается к структур но равновес­ному; структура стали после отжига: перлит + феррит, перлит или перлит + цементит.

Если после нагрева выше А_С3 провести охлаждение на воздухе, то это будет первым шагом к отклонению от практически равновес­ного структурного состояния. Такая термическая операция назы­вается нормализацией.

Закалка - нагрев выше критической точки А_С3 с последующим быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит рас­падается на феррит + цементит при А _r1. С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температу­рах. Феррито-цементитная смесь по мере снижения А_r1 становится все более мелко дисперсной и твердой. Если же скорость охлажде­ния была так велика и переохлаждение было так значительно, что выделение цементита и феррита не произошло, то и распада твердого раствора не происходит, а аустенит (γ-твердый раствор) превращается в мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе). Неполная закалка - термическая операция, при которой нагрев про­водят до температуры, лежащей выше А_С1 но ниже А_С3 и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цемен­тит).

О т п у с к - нагрев закаленной стали ниже А_С1.

Для стали возможны различные виды химико-термической об­работки в зависимости от элемента, диффундирующего в сталь.

Насыщение стали углеродом называется цементацией, азотом - ­азотированием, алюминием - алитированием, хромом - хроми­рованием и т.д.

Термо-механическая обработка стали - нагрев до аустенитного состояния, деформация стали в аустенитном состоянии (в стабильном состоянии – выше А_С3 или в нестабильном переохлаждённом состоянии) и окончательное охлаждение с протекающим при этом превращением наклёпанного аустенита.

Основные структуры стали:

Аустенит (А) – твёрдый раствор углерода в γ-железе Fe_γ(C),

Мартенсит (М) – твёрдый раствор углерода в α-железе Fe_α(C),

Перлит (П) – эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита и карбида Fe_α + Fe₃С (ничтожно малой равновесной растворимостью углерода в феррите пренебрегаем).

При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения:

1. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки А₁, выше температуры стабильного равновесия аустенит-перлит; при этих температурах из трёх основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит:

или

2. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже А₁:

или

3. Превращение аустенита в мартенсит:

или

Это превращение наблюдается ниже температуры метастабильного равновесия аустенит-мартенсит (Т₀). При Т₀ более устойчивой фазой является перлит, однако работа, необходимая для образования мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита, поэтому ниже Т₀ образование перлита (феррито-карбидной смеси) из аустенита может произойти только в результате превращения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит.

4. Превращение мартенсита в перлит, точнее, в феррито-карбидную смесь:

или

Оно происходит при всех температурах, так как при всех температурах свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита (феррито-карбидной смеси).

Под теорией термической обработки понимается описание процессов формирования структур (при превращениях), а также особенностей структурного состояния сплавов (неравновесные состояния).

Температура закалки для сталей большинства марок определяется положением критических точек А₁ и А₃.

Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме железо-углерод. Обычно для доэвтектоидной стали она должна быть на 30-50ºС выше А_С3, а для заэвтектоидной стали – на 30-50ºС выше А_С1.

При закалке доэвтектоидной стали с температурой выше А_С1, но ниже А_С3 в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твёрдость в закалённом состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной.

Различают внутренние напряжения трёх родов:

Внутренние напряжения первого рода – это зональные внутренние напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и между различными частями детали. Чем больше градиент температур по сечению, возникающий при термической обработке и между различными частями детали, который зависит от скорости и равномерности охлаждения, размера детали и ряда других причин, тем большего значения достигают внутренние напряжения первого рода.

Внутренние напряжения второго рода возникают внутри зерна или между соседними зёрнами.

Внутренние напряжения второго рода возникают между различными фазами вследствие того, что у них разные коэффициенты линейного расширения, или из-за образования новых фаз, имеющих разные объёмы. Внутренние напряжения второго рода не зависят от тех факторов, от которых зависят напряжения первого рода, например, скорости охлаждения и других факторов. Поскольку внутренние напряжения второго рода возникают между отдельными элементами структур, их иногда называют структурными напряжениями, а внутренние напряжения первого рода – зональными термическими напряжениями.

Внутренние напряжения третьего рода возникают внутри объёма порядка нескольких элементарных ячеек кристаллической решётки.

Случай, когда инородный атом в твёрдом растворе создаёт вокруг себя упругие искажения кристаллической решётки, представляет собой пример возникновения напряжений третьего рода.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного охлаждения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения – стадией пузырчатого кипения.

Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости (при охлаждении в воде – ниже 100ºС), жидкость кипеть уже не будет, и охлаждение замедляется. Этот третий этап охлаждения называется стадией конвективного теплообмена.

Закалочная жидкость охлаждает тем интенсивнее, чем шире интервал стадии пузырчатого кипения, то есть чем выше температура перехода от первой стадии охлаждения ко второй и чем ниже температура перехода от второй стадии к третей.

Интенсивность охлаждения зависит от температуры жидкости, от её физических свойств, скрытой теплоты парообразования.

Под прокаленностью подразумевают глубину проникновения закалённой зоны.

Несквозная прокаливаемость объясняется тем, что при закалке деталь охлаждается быстрее с поверхности и медленнее – в сердцевине. С уменьшением критической скорости закалки увеличивается и глубина закалённого слоя.

Для практической оценки прокаливаемости пользуются величиной, которая называется критическим диаметром.

Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в данном охладителе. Чем интенсивнее охлаждает закалочная среда, тем больше величина критического диаметра.

Чтобы не ставить прокаливаемость в зависимости от способа охлаждения, вводят понятие идеальный критический диаметр. Это – диаметр максимального сечения, прокаливающегося насквозь в «идеальной» жидкости, отнимающей тепло с бесконечно большой скоростью.

Критический диаметр – важная и удобная величина при назначении марки стали на изделие.

Основные способы закалки:

1) Закалка в одном охладителе – наиболее простой способ. Нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Для уменьшения внутренних напряжений деталь иногда не сразу погружают в закалочную жидкость, а некоторое время охлаждают на воздухе, «подстуживают». Такой способ закалки называется закалкой с подстуживанием.

2) Прерывистая закалка, или закалка в двух средах. Деталь охлаждают сначала в быстро охлаждающей среде, а затем в медленно охлаждающей. Обычно первое охлаждение проводят в воде, а затем деталь переносят в масло, или охлаждают на воздухе. В мартенситном интервале сталь охлаждается медленно, что способствует уменьшению внутренних напряжений.

3) Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда требуется закалить часть детали. Пи этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде.

4) Закалка с самоотпуском. При обычном отпуске, когда вся деталь нагревается до одинаковой температуры, она, пройдя одинаковые условия закалки и отпуска, обладает во всех точках (при сквозной прокаливаемости) одинаковыми твёрдостью и вязкостью. Для ударного инструмента (зубила, кузнечный инструмент и т.д.) такое распределение твёрдости нецелесообразно. Инструмент обладаёт высокой стойкостью тогда, когда твёрдость постепенно и равномерно понижается от рабочей (режущей) части к центру и к хвостовой (крепёжной) части инструмента.

5) Ступенчатая закалка. При прерывистой закалке в тот момент, когда деталь переносят из воды в масло, более тонкие части её сечения охладились больше, то есть до более низких температур. Кроме того, трудно отрегулировать процесс и обеспечить постоянное, определённое и притом очень короткое время пребывания детали в воде.

Способ ступенчатой закалки лишён этих недостатков. Деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит формирование структуры, то есть превращение аустенита в мартенсит. Разбивка охлаждения на две ступени уменьшает внутренние напряжения 1 рода, поэтому уменьшается и закалочная деформация.

При ступенчатой закалке, а также при закалке в двух средах длинномерных и плоских изделий (преимущественно инструмента) производится так называемая правка или рихтовка, то есть устранение коробления, вызванного термическими напряжениями при первом быстром охлаждении.

6) Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой. Так как для цементации берут низкоуглеродистую сталь, то сердцевина остаётся мягкой и вязкой, несмотря на то, что после цементации сталь подвергается закалке.

Различают два вида цементации: твердую и газовую.

При твёрдой цементации детали запаковывают в ящик, наполненный карбюризатором – науглероживающим веществом. Карбюризатором является древесный уголь с различными добавками. В ящике в промежутках между кусочками угля, имеется воздух, кислород которого при температуре процесса (900-950ºС) соединяется с углеродом, образуя оксид углерода СО.

Процесс твёрдой цементации – продолжительная операция и занимает в зависимости от требуемой глубины цементации часто не один десяток часов.

При газовой цементации герметически закрытая камера печи наполнена цементирующим газом (чаще с определённой скоростью через неё проходит газ). Время на прогрев ящика и карбюризатора при этом способе цементации не затрачивается, и скорость цементации (получение заданной глубины слоя) возрастет в тем большей относительной степени, чем меньшей глубины слой требуется получить.

Задача цементации – получить высокую поверхностную твёрдость и износостойкость при вязкой сердцевине – не решается одной цементацией. Цементацией достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка, при которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твёрдость и высокая вязкость.

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. По сравнению с цементацией, этот процесс применяют сравнительно недавно.

Азотирование применяют для: повышения твёрдости и износоустойчивости, усталостной прочности, сопротивления коррозии.

Азотирование обычно проводят при 500-600ºС. В железную герметически закрытую реторту (муфель), вставленную в печь, помещают детали, подвергаемые азотированию.

В реторту из баллона поступает с определённой скоростью аммиак, который разлагается в ней (диссоциирует) по реакции: . Образующийся атомарный азот диффундирует в металл.

Глубина и поверхностная твёрдость азотированного слоя зависят от рада факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

7. Основы легирования и роль легирующих элементов. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа, мартенситное превращение, изотермический распад аустенита, превращение при отпуске. Классификация легированных сталей по структуре в нормализованном состоянии.

В соответствии с классификацией, предложенной Н. Т. Гудцовым, все примеси (химические элементы), содержащиеся в стали, можно разделить на четыре группы:

1. Постоянные или обыкновенные примеси. К этой группе относятся марганец и кремний, а также алюминии и титан, которые как кремний и марганец, применяются в качестве раскислителей, эти элементы присутствуют в любой хорошо раскис­ленной стали (В кипящей стали содержание кремния, алюминия и титана очень невелико), потому что введение их в металл необхо­димо при производстве стали; к постоянным (обыкновенным) приме­сям следует отнести серу и фосфор, потому что полностью освобо­диться от них при массовом производстве стали невозможно. Содер­жание этих элементов находится в спокойной стали обычно в пре­делах: 0,3-0,7 % Мn; 0,2-0,4 % Si; 0,01-0,02 % Al; 0,01­-0,05 % Р и 0,01-0,04 % S; 0,01-0, 2 % Ti.

2. Скрытые примеси. Это кислород, водород и азот, присутствующие в любой стали в очень малых количествах. Методы их химического определения сложны, поэтому содержание этих элементов в обычных технических условиях не указывается.

3. Случайные примеси. К этой группе относятся примеси, попадающие в сталь из шихтовых материалов или вследствие каких-либо случайных причин.

Так, уральские руды содержат небольшое количество меди, и она попадает в сталь, выплавленная из этих руд. Сталь, выплавлен­ная из керченских руд, имеет мышьяк, так как эти руды содержат мышьяк. Переплавка луженого оцинкованного и другого скрапа приводит к тому, что в металл попадают олово, цинк, сурьма, сви­нец и т. д.

Стали, выплавленные на так называемой первородной шихте без использования скрапа (лома), основного источника загрязнения, не содержат случайных примесей. Они также очень чистые по сере и фосфору,

4. Легирующие элементы. Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строе­ния и свойств, называются легирующими элементами (от греческого слова «лега»- сложное).

В связи с этим стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы, называют легированными сталями (легированные стали иногда называют специальными).

Примеси первых трёх групп – в той или иной степени неизбежное следствие технологического процесса производства стали и известно, что в указанных концентрациях их нельзя рассматривать как легирующие элементы, а стали, содержащие эти экспримеси, но в больших количествах, следует относить к легированным сталям.

Влияние элементов на полиморфизм железа

Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существования его аллотропических модификаций т, е, сдвигают точки A₃ и А₄ по температурной шкале.

Большинство элементов или повышают точку А₄ и снижав точку A₃, расширяя тем самым область существования γ-модификации или понижают А₄ и повышают A₃, сужая область существования γ –модификации.

Из схематических диаграмм с стояния железо —легирующий элемент, приведенных на рис. видно, что свыше определенного содержания марганца, никеля или некоторых других элементов γ -состояние существует как стабильное от комнатной температуры до температуры плавления. Такие сплавы на основе железа называются аустенитными. При содержании ванадия молибдена, кремния и других элементов свыше определенного предела устойчивым при всех температурах является α-состояние.

Такие сплавы на основе железа называются ферритными. В от­личие от других сплавов на основе железа аустенитные и ферритные сплавы не имеют превращений при нагреве и охлаждении.

В промышленных легированных сталях, которые являются многокомпонентными системами, легирующие элементы могут находиться:

а) в свободном состоянии,

б) в форме интерметаллических соединений с железом или между собой,

в) в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических включений,

г) в карбидной фазе – в виде раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом – специальных карбидов,

д) в форме раствора в железе.

Легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит) или образуют специальные карбиды.

Отпуск заключается в нагреве закалённой стали, структура которой состоит из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита, до температур ниже А_С1, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Так как мартенсит представляет собой перенасыщенный твёрдый раствор углерода в , то структура закалённой стали является нестабильной и при отпуске протекают процессы, приводящие к равновесному состоянию стали, что, очевидно, будет достигаться выделением углерода из мартенсита и остаточного аустенита.

Классификация по структуре после охлаждения на воздухе

Учитывая структуру, получаемую после охлаждения на спокойном воздухе образцов небольшой толщины, можно выделить три основ­ных класса сталей:

1) перлитный

2) мартенситный;

3) аустенитный.

Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, мартенситного — более значи­тельным и, наконец, аустенитного — высоким содержанием легиру­ющих элементов.

Получение трех классов стада обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аусте­нита в перлитной области возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается.

Для легированных сталей перлитного класса (как и для угле­родистых) кривая скорости охлаждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада в будут получаться структуры — пер­лит, сорбит, тростит.

У сталей мартенситного класса область перлитного распада уже значительно сдвинута вправо. Поэтому охлаждение на воздухе не приводит к превращению в перлитное области — аустенит здесь переохлаждается без распада до температур мартенситного превра­щения, где и происходит образование мартенсита.

Дальнейшее увеличение содержания углерода и легирующего элемента не только сдвигает вправо область перлитного распада, но и снижает мартенситную точку, переводя ее в область отрица­тельных температур. В этом случае сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, сохранит аустенитное состояние.

Классификация по составу

В зависимости от состава легированные стали классифицируются как никелевые, хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и тому подобные стали. Классификационный признак — наличие в стали тех или иных легирующих элементов.

Классификация по назначению

В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы.

Конструкционная сталь, идущая на изготовление деталей ма­шин. Конструкционная сталь, как правило, у потребителя подвер­гается термической обработке. Поэтому конструкционные стали подразделяют на цементуемые (подвергаемые цементации) и улучшаемые (подвергаемые закалке и отпуску, практически не обязательно высокому).

Близкие по составу к конструкционным сталям, но не предназна­ченные для термической обработки у потребителя, объединяются в группу так называемых строительных сталей (они в основном применяются в строительстве). Часто их называют низколегирован­ными.

Инструментальная сталь, идущая на изготовление режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента. Инструмен­тальные стали условно подразделяют на следующие четыре кате­гории; углеродистые, легированные, штамповые и быстроре­жущие.

Стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относятся стали, обладающие каким-нибудь резко выражен­ным свойством: нержавеющие, жаропрочные и теплоустойчивые, износоустойчивые, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными и электрическими свойствами и т. д

В ряде случаев эти стали содержат такое большое количество легирующих элементов, что их нужно причислять не к сплавам железа, т. е. не к сталям, а к сложным многокомпонентным сплавам.

Маркировка легированных сталей

Для обозначения марок стали разработана система, принятая в ГОСТах. Обозначения состоят из числа цифр и букв, указывающих на примерный состав стали.

Каждый легирующий элемент обозначается буквой: Н — никель; X — хром; К — кобальт; М — молибден; Г — марганец; Д — медь; Р — бор; Б — ниобий; Ц — цирконий; С — кремний; П — фосфор; Ч—редкоземельные металлы; В — вольфрам; Т — титан; А — азот; Ф — ванадий; Ю — алюминий.

Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инстру­ментальных сталях в десятых долях процента). Цифры, идущие после буквы, указывают на примерное содержание данного легиру­ющего элемента (при содержании элемента менее 1 % цифра отсутствует; при содержании 1 % цифра 1 и 2 % — цифра 2 и т. д.).