5.3 Основные превращения при термической обработки стали
Основой изучения термической обработки стали является диаграмма железо – цементит. Поскольку речь идёт о термической обработке стали как класса сплавов железа с углеродом, интерес представляет диапазон концентраций углерода до 2,14 мас.%. Верхней температурной границей при термической обработке стали является линия солидуса в указанном диапазоне концентраций. Процессы первичной кристаллизации и, следовательно, верхняя часть диаграммы в рассматриваемом случае не имеют значения. Участок диаграммы железо – цементит, имеющий отношение к пониманию процессов термической обработки стали, представлен на рис. 5.6.
Рисунок 5.6 − «Стальной» участок диаграммы железо - цементит
Температуры фазовых превращений при термической обработке сталей, т.н. критические точки, определяются линиями PSK, GS и SE. В теории термической обработки стали критические точки, находящиеся на указанных линиях, получили особые обозначения: на линии GS – А3, на линии SE – Acm, на линии PSK – А1. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении (поскольку они не совпадают), перед цифровыми индексами критических точек добавляются буквенные: «c» для случая нагрева и «r» для случая охлаждения. Так, критические температуры на линии PSK будут обозначаться как Аc1 при нагреве и Аr1 при охлаждении. Соответственно, на линии GS будут точки Аc3 и Аr3.
Фазовые превращения, которые совершаются в стали при изменении температуры, совершаются вследствие того, что при изменившихся условиях одно состояние более становится устойчивым, чем другое. Рассматривая, что же это за состояния в стали, следует указать, что основными являются три структуры*2:
- аустенит [А, Feγ(C)] – твёрдый кристаллический раствор внедрения углерода в железе с ГЦК кристаллической структурой, или γ-железе;
- перлит [П, Feα(C)+Fe3C] – эвтектоидная смесь одновременно образующихся кристаллов двух фаз – феррита и цементита;
- мартенсит [М, пересыщенный Feα(C)] – пресыщенный твёрдый раствор внедрения углерода в железе с ОЦК кристаллической структурой, или α-железе.
Изменение устойчивости перечисленных структур стали с температурой характеризуется температурной зависимостью свободной энергии каждой из них Fi = f(T), которая иллюстрируется на рис.5.7
F
ΔF
Р исунок 5.7 – Изменение свобод-
н ой энергии аустенита FA , мар-
т енсита FM и перлита FП с измене-
н ием температуры
FM
FП
FA
МН T0 A1 T,OC
Любой вид термической обработки стали (отжиг второго рода, закалка, отпуск) состоит из комбинации четырёх основных превращений:
I. Превращение перлита в аустенит [П→А, Feα(C)+Fe3C→Feγ(C)].
II. Превращение аустенита в перлит [А→П, Feγ(C)→Feα(C)+Fe3C].
III. Превращение аустенита в мартенсит [А→М, Feγ(C)→пересыщенный Feα(C)].
IV. Превращение мартенсита в феррито-карбидную смесь [М→ФКС].
Для простоты их удобно рассматривать на примере эвтектоидной стали, т.е. стали с 0,8 мас.% С, имеющей в равновесном состоянии структуру пластинчатого перлита.