Основные компоненты железоуглеродистых сплавов:

1. Железо, Fe:  = 7860 кг/м³, t_пл. = 1539 С, НВ = 60 ... 90,  = 30 ... 50 %.

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

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов:

1. Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в  железе, имеющем ГЦК кристаллическую решётку (Fе_) с максимальной концентрацией углерода 2,14 % при 1147 С, которая понижается до 0,8 % при 727 С. Немагнитен, имеет высокую пластичность ( = 40 ... 50 %), НВ = 160 ... 200.

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

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

4. Перлит – это эвтектоидная механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита. Образуется при распаде аустенита при t = 727 С (линия PSK на рис. 2.1) с концентрацией С = 0,8 % :

Fe_ (С = 0,8 %)  Fe_ (С = 0,02 %) + Fe₃С (С = 6,67 %).

Магнитен, имеет повышенную прочность и твердость, НВ = 160 ... 200, _в = 800 МПа,  = 12 %.

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

Характерные сплавы на диаграмме (по концентрации углерода в %):

С = 0 % – чистое железо;

С = 0,8 % – эвтектоидный сплав, содержащий 100 % перлита, разделяет стали на доэвтектоидные и заэвтектоидные;

С = 2,14 % – предельная растворимость углерода в аустените, является границей между сталями и чугунами;

С = 4,3 % – эвтектический сплав, содержит 100 % ледебурита;

С = 6,67 % содержит 100 % цементита (Fe₃C).

Заметим, что разделение железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны произошло в те времена, когда не умели делать химический анализ. Это разделение проведено исходя из того, что стали можно сильно деформировать (ковать, штамповать и т. д.), а чугуны хрупко разрушаются при сравнительно небольших деформациях. Рассматривая рис. 2.1, можно видеть, что стали могут находиться при определённой температуре в состоянии твёрдого раствора (аустенита и (или) феррита). Именно в этом состоянии стали можно подвергать значительным деформациям на десятки и сотни процентов. Чугуны в твёрдом состоянии при любой температуре содержат хрупкое химическое соединение (цементит), что и объясняет их малую пластичность.

Самая верхняя кривая на диаграммах фазового равновесия, например ABCD на рис. 2.1, показывает начало кристаллизации в сплаве. Она называется линией «ликвидус». Линия, обозначающая конец затвердевания (AHJECF на рис. 2.1), называется линией «солидус».

У доэвтектоидных сталей при охлаждении по кривой GS начинается и по PS заканчивается перекристаллизация части аустенита в феррит, что связано с полиморфным превращением Fe_ в Fe_. Концентрация углерода в оставшемся аустените повышается до 0,8 % и по линии PS последний превращается в перлит. Таким образом, доэвтектоидные стали имеют феррито-перлитную структуру.

У заэвтектоидных сплавов по кривой SE начинается и по SK заканчивается процесс выделения из аустенита цементита вследствие понижения растворимости углерода в аустените при охлаждении. Концентрация углерода в оставшемся аустените понижается до 0,8 % , и по линии SK последний превращается в перлит. Т. о., заэвтектоидные стали имеют перлитнo-цементитную структуру. Цементит стремится выделиться по границам зерен, образуя так называемую цементитную сетку, которая резко снижает прочность сплава.

а б в

Рис. 2.2. Микроструктуры сталей:

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

Микроструктуры сталей см. на рис. 2.2, чугунов на рис. 2.3.

2

а б в

Рис. 2.3. Микроструктуры чугунов (200):

а – доэвтектического; б – эвтектического; в – заэвтектического

.2. Термообработка

Термообработка (ТО) любого сплава заключается в нагреве деталей до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с различной скоростью с целью получения требуемой структуры и механических свойств (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Графики термической обработки

Рис. 2.5. Температурный интервал для нагрева углеродистой стали при закалке (заштрихованная зона)

При нагреве стали чуть выше критических температур, соответствующих линии GSE (рис. 2.1), за счет перекристаллизации феррито-перлитной структуры в аустенитную образуется мелкозернистая структура, которая при последующем охлаждении фиксируется (рис. 2.6). Изменяется и внутренняя структура зерен. Чем выше скорость охлаждения при ТО, тем выше дисперсность внутризеренных структур и прочность сплава, но ниже пластичность.

V₁

V₂

V₃

При сравнительно медленном охлаждении из аустенитного состояния, которое осуществляется при отжиге или нормализации, происходит выделение цементита в виде пластин, что связано с диффузионными превращениями. Диффузия необходима для повышения концентрации углерода в месте образования цементита до 6,67 %. Начало и окончание процесса выделения цементита на рис. 2.7 показывают кривые 1, 2. Чем выше скорость охлаждения, тем тоньше пластинки цементита, т. е. больше дисперсность структуры. Минимальной скорости V₁ соответствует грубая пластинчатая структура – перлит. При скорости V₂ образуется пластинчатый сорбит. При ещё большей скорости охлаждения получается очень мелкодисперсная структура пластинчатого троостита.

При определенной достаточно высокой скорости охлаждения, которая называется критической V_кр, диффузионные процессы не могут происходить вследствие переохлаждения сплава до низких температур. Однако в результате полиморфных превращений происходит перекристаллизация структуры и твёрдый раствор аустенит превращается в пересыщенный раствор углерода в  железе. Такая структура называется мартенситом, а бездиффузионное превращение называется мартенситным. На рис. 2.7 линия М_н соответствует началу, М_к – окончанию мартенситных превращений.

В

Рис. 2.7. Диаграмма изотермического превращения аустенита:

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

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

иды термической обработки

Отжиг. Для доэвтектоидных сталей применяется полный отжиг, заключающийся в медленном нагреве стали выше А_С3 на 30 ... 50 С (рис. 2.5), длительной выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью.

Для заэвтектоидных сталей применяется обычно неполный отжиг: нагрев выше А_С1, но ниже А_Сm, охлаждение вместе с печью. Отжиг применяется для получения равновесной мелкозернистой феррито-перлитной структуры, снятия остаточных напряжений после холодной обработки давлением, литья, сварки, а также перед обработкой резанием и холодным пластическим деформированием для повышения пластичности и улучшения обрабатываемости.

Закалка доэвтектоидной стали: нагрев выше А_С3 на 30 ... 50 С и быстрое охлаждение в воде, масле и др. средах с высокой охлаждающей способностью со скоростью выше критической. При закалке образуется мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в Fe_. Мартенсит – однофазная структура, имеет игольчатое строение, хрупок, HRC = 60,  = 0 %. Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания углерода. Стали, содержащие С < 0,2 %, практически не закаливаются.

Закалка заэвтектоидной стали: нагрев выше А_С1, но ниже А_Сm (неполная закалка), охлаждение со скоростью выше критической. Образуется двухфазная структура, состоящая из мартенсита и цементита.

Скорости нагрева и охлаждения при ТО ограничены пластичностью металла, поэтому в зависимости от свойств материала подбираются различные охлаждающие среды, которые, с одной стороны, призваны обеспечить охлаждение со скоростью большей, чем критическая, а с другой – предотвратить образование больших внутренних напряжений, которые могут привести к разрушению образца. К сожалению, пока не разработаны идеальные охладители, обеспечивающие эти противоречивые требования. Поэтому используются усложнённые способы закалки ( в двух закалочных средах, изотермическая и т. д.)

Отпуск обычно производится после закалки с целью получения заданной прочности и пластичности. Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск заключается в нагреве до 200 ... 250 С, длительной выдержке (1–2 часа) и медленном охлаждении. Получающаяся структура называется мартенситом отпуска. Она имеет наибольшую прочность и твёрдость, высокую сопротивляемость изнашиванию, но обладает очень низкой пластичностью. При низком отпуске не происходят диффузионные превращения, но значительно снижаются внутренние напряжения и повышается сопротивляемость ударным нагрузкам.

Средний отпуск проводят при температуре 350…500 С. При этих температурах происходят диффузионные превращения, мартенсит превращается в зернистый троостит, представляющий собой мелкодисперсную смесь шаровидных включений цементита и феррита. Прочность и твёрдость по сравнению с мартенситом отпуска уменьшаются, но сталь приобретает большую пластичность. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск проводят при температуре 500 ... 650 С. В результате образуется зернистый сорбит. Т. к. диффузионные превращения при высокой температуре облегчены, то величина частичек цементита значительно больше чем у троостита. Сорбит имеет прочность меньшую, по сравнению с трооститом, но зато у стали резко увеличивается пластичность. Она становится даже большей, чем после отжига, при этом прочность высокоотпущенной стали значительно выше, чем после отжига. Сочетание ТО (закалка + высокий отпуск) называется улучшением стали.

Нормализация: нагрев выше А_С3 и А_Сm (последнее редко применяется), охлаждение на спокойном воздухе. При нормализации измельчается зерно, повышается прочность при сохранении достаточной пластичности. Для доэвтектоидных сталей нормализация заменяет отжиг. Для заэвтектоидных сталей нормализация производится с целью устранения цементитной сетки по границам зёрен и является подготовительной операцией перед закалкой.

Применение различных видов ТО. Различают предварительную термическую обработку и окончательную.

Предварительная ТО заготовок производится с целью снятия остаточных напряжений после литья, сварки, обработки давлением, а также с целью повышения обрабатываемости резанием, холодным пластическим деформированием и т. п. Применяются отжиг, нормализация, улучшение (закалка и высокий отпуск).

Окончательная ТО деталей выбирается в зависимости от марки стали и назначения деталей. Для конструкционных сталей применяют закалку с высоким или средним отпуском с целью получения повышенной прочности и твердости при сохранении достаточного уровня пластичности. Для инструментальных сталей используется закалка с низким отпуском с целью получения высокой твердости и износостойкости. Однако ударная вязкость и пластичность при этом получаются низкими.