7.2. Сплавы системы «Fe — Fe3c».

По структурному признаку сплавы делятся следующим образом.

Технически чистое железо. Это сплавы, содержащие менее 0,02% С, в их структуре отсутствует перлит. При этом, сплавы, содержащие менее 0,006% углерода (точка Q), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита. Однако металл такой чистоты получить весьма сложно. В практике используют сплавы с содержанием углерода от 0,01 0,02%, их структура феррит и цементит третичный.

Стали. Это сплавы, содержащие 0,02…2,14% С. В их структуре имеется перлит, но отсутствует ледебурит. Стали с содержанием углерода менее 0,8% называются доэвтектоидными, более 0,8% — заэвтектоидными, сталь с 0,8% — эвтектидная. Их структура, соответственно: феррит + перлит, перлит + цементит вторичный, перлит.

Чугуны. Это сплавы, содержащие более 2,14% С. Они структурно отличаются от сталей наличием эвтектики – ледебурита. Чугуны с содержанием менее 4,3% С – доэвтектические; содержащий 4,3% С - эвтектический; свыше 4,3% С- заэвтектические.

Структура чугунов в интервале температур 1147…727°С: доэвтектических — аустенит + ледебурит + цементит вторичный (выделяется вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените - линия «ES»); эвтектических — ледебурит; заэвтектических — цементит (первичный) + ледебурит.

При температуре 727°С (линия «PSK»), аустенит обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращается в перлит. Это превращение претерпевает аустенит как структурно свободный (присутствующий в доэвтектических чугунах), так и входящий в состав ледебурита. Поэтому ледебурит при температуре выше 727°С, состоящий из смеси аустенита и цементита, называется аустенитовым (Л_А), ниже этой температуры он состоит из перлита и цементита и называется перлитовым (Л_П). Чугуны, в которых весь углерод связан в цементите, называются белыми.

Углерод в чугунах может находиться не только в связанном виде — в цементите, но и в свободном - в виде графита.

8. Термическая обработка сталей и чугунов.

Цель термической обработки — получение в заготовке или детали необходимого комплекса свойств (механических, физических, химических) за счет образования необходимой структуры металла. Таким образом, цель — изменение свойства материала, а не размеров и формы заготовки в отличие от формообразующих технологий (литье, сварка, обработка давлением и резанием).

Термическая обработка может быть разупрочняющей и упрочняющей.

Разупрочняющая обработка выполняется для придания заготовке необходимых технологических свойств (например, для снижения механических свойств, чтобы улучшить обрабатываемость резанием).

Упрочняющая обработка - для получения необходимых эксплуатационных свойств детали.

Термическая обработка состоит из нагрева до определенной температуры, изотермической выдержки при этой температуре и охлаждения с определенной скоростью.

Поскольку природа превращений сплавов системы «Fe — Fe₃c» - сталей и чугунов при нагреве и охлаждении одинакова, эти превращения рассматриваются на примере сталей.

8.1.Превращения сталей при нагреве.

Превращения, т.е. изменение структуры (фазового состава) происходят при нагреве сплавов до критических точек (температур фазовых превращений). Именно эти температуры определяют режимы нагрева сталей при термической обработке.

Критические точки сталей:

А₁ - геометрическое место точек - линия PSK, т.е. для всех сплавов эта температура одинакова – 727ºС. При нагреве до этой температуры происходит превращение перлита в аустенит;

A₃ - геометрическое место точек - линия GS, при нагреве до этой температуры у доэвтектоидных сталей заканчивается полиморфное превращение феррита в аустенит. Для разных сплавов (сталей) эта температура неодинакова, она понижается по мере повышения содержания углерода;

А_m - геометрическое место точек - линия SЕ, при нагреве до этой температуры у заэвтектоидных сталей заканчивается растворение цементита в аустените. Для разных сплавов (сталей) эта температура неодинакова, она повышается по мере повышения содержания углерода.

Температуры превращений (критические точки) на практике несколько отличаются от равновесных температур, приведенных на диаграмме – при нагреве они несколько выше, при охлаждении – ниже. Чтобы отличить критические точки при охлаждении и нагреве, их дополнительно обозначают буквами – «с» при нагреве (Ас₁, Ас₃, Ас_m) и «r» - при охлаждении (Аr₁, Аr₃, Аr_m).

Нагрев вызывает рост зерна, его размер определяет эксплуатационные свойства сталей. Крупное зерно прочность и ударную вязкость сталей.

8.2. Превращения сталей при охлаждении. Диаграмма изотермического превращения аустенита.

При термической обработке режимы нагрева сталей и чугунов определяются диаграммой «железо - углерод». Эта диаграмма, построенная для бесконечно большого количества сплавов, описывает их структуры в равновесном состоянии, т.е. полученные в результате весьма медленных нагрева и охлаждения. Таким образом, эта диаграмма не учитывает скоростей нагрева, а главное охлаждения, которые весьма существенно влияют на структуру и свойства сплавов системы «Fe – Fe₃C».

Структуры, получаемые при различных скоростях, охлаждения описываются диаграммой изотермического превращения аустенита. Эта диаграмма строится в координатах «время (τ или lgτ) – температура (t)» для сплава (стали) одного конкретного состава. Таким образом, для каждой стали эта диаграмма имеет свой вид.

Рассмотрим превращения при охлаждении с различными скоростями на примере эвтектоидной (0,8 %С) стали (рис. 8.1). В зависимости от скорости охлаждения меняется механизм структурных превращений.

Перлитное превращение заключается в распаде аустенита на феррит и цементит: А_0,8→ П_0,8[Ф_0,02 + Ц_6,67], оно протекает при медленном охлаждении.

При температуре выше А₁ (область I на рис. 8.1) аустенит является равновесной фазой. Для того, чтобы превращение аустенита в перлит происходило, необходимо переохлаждение, при этом свободная энергия перлита станет меньше, чем у аустенита. Таким образом при понижении температуры ниже А₁ (область II на рис. 8.1) аустенит становится неустойчивым, переохлажденным и через определенное время начнется его распад.

При небольшой степени переохлаждения (ниже точки А₁) параметры кристаллизации (число центров кристаллизации и скорость их роста) низкие, поэтому превращение начинается через достаточно длительное время. Такой же эффект будет и при большой степени переохлаждения. Это означает, что наибольшая скорость кристаллизации (т.е. превращения А→П) будет достигнута при некоторых промежуточных (средних) степенях переохлаждения. Т.е. кривая начала распада (кривая «а» на рис. 8.1) должна иметь минимум по координате время – быть «С-образной».

Действительно, при температуре ~ 550°С достигается наименьшая устойчивость переохлажденного аустенита. При этой температуре время существования переохлажденного аустенита минимально. Аналогичный вид имеет кривая конца превращений (кривая «б» на рис. 8.1). Форма этих кривых определило второе название диаграммы изотермического превращения – «С-образная диаграмма».

В области левее первой кривой (а) находится переохлажденный аустенит. Он претерпевает распад между кривыми начала и конца превращения (это кривые «а» и «б» они ограничивают область существования трех фаз – аустенита, феррита и цементита - область III на рис. 8.1). При превращении аустенита в перлит происходят как диффузионные, так и бездиффузионные процессы.

Диффузионные процессы заключаются, во-первых, в выделении из аустенита кристаллов цементита и, во-вторых, в их росте. Вследствие выделения цементита из аустенита концентрация углерода в нем снижается (А_0,8→А_0,02).

При содержании углерода в аустените, равном 0,02%, что соответствует максимальной растворимости углерода в феррите при 727°С (точка «Р» на диаграмме Fe–Fe₃C – см. рис. 7.1), происходит бездиффузионное превращение аустенита в феррит (А_0,02 → Ф_0,02) с изменение кристаллической решетки ГЦК на ОЦК.

Меняя скорость охлаждения, т. е. степень переохлаждения, мы можем влиять на диффузионные процессы, которые развиваются во времени, но не можем управлять бездиффузионными процессами, происходящими с очень большой скоростью, практически мгновенно.

Подавление, в большей или меньшей степени, второй стадии диффузионного процесса - роста (коагуляции) кристаллов цементита позволяет получить структуры с разными размерами этих кристаллов (разной дисперсности). Таким образом, структура и свойства продуктов распада аустенита зависят от температуры превращения.

В том случае, если превращение происходит при высоких температурах (низкая скорость охлаждения, малая степень переохлаждения – луч 1 на рис. 8.1), получается грубая смесь феррита и цементита (его кристаллы успели вырасти), которая называется перлитом. Эта структура является равновесной, именно она описывается диаграммой «Fe–Fe₃C».

Понижение температуры превращения (ускорение охлаждения – меньшая степень роста кристаллов цементита; луч 2) вызывает образование смеси более тонкого строения, которая получила название сорбит.

При еще более низкой температуре превращения образуется троостит — структура более дисперсная (луч 3).

Таким образом, перлит, сорбит и троостит это ферритно-цементитные смеси (область IV) различной дисперсности. Цементит этих структур имеет пластинчатое строение.

Твердость и прочность феррито-цементитных смесей тем выше, чем тоньше строение цементита, чем дисперснее структура. Так, для стали с 0,8%С твердость перлита, сорбита и троостита составляет, примерно, - 200, 300, 400НВ, соответственно.

Изотермическое превращение аустенита доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей отличается от его превращения в эвтектоидной стали. В верхнем интервале температур сначала происходит выделение из аустенита избыточных фаз: феррита в доэвтектоидных сталях и цементита в заэвтектоидных.

Мартенситное превращение происходит при охлаждении сталей с весьма высокой скоростью (луч 4). При этом удается полностью подавить диффузионные процессы, т.е. выделение цементита из аустенита не происходит. Бездиффузионное (γ→α) превращение подавить невозможно и оно происходит. При этом происходит лишь перестройка решетки ГЦК аустенита в решетку ОЦК железа - α без выделения углерода [Fe_γ(С)→Fe_α(С)]. Такое превращение называется мартенситным, а полученная структура - мартенсит.

Поскольку выделения цементита при охлаждении не произошло содержание углерода в мартенсите сохранилось таким же, каким оно было в исходном аустените, т.е. значительно большим его предельной растворимости в железе-α (в соответствии с диаграммой «Fe–Fe₃C» растворимость углерода при комнатной температуре составляет 0,006%; точка Q диаграмме «Fe–Fe₃C» - см. рис. 7.1). Таким образом, мартенсит – это пересыщенный и, следовательно, неравновесный твердый раствор углерода в α-железе.

Из-за высокого содержания углерода кристаллическая решетка α-железа сильно искажается. Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку, в которой параметр «с» больше параметра «а» (рис. 8.2). Мартенсит имеет высокую твердость, тем более высокую, чем больше в нем углерода (рис. 8.3).

Минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая подавление диффузионных процессов, называется критической скоростью охлаждения (V_кр). Графически это касательная к первой «С-образной» кривой. При охлаждении с критической скоростью и с большими скоростями аустенит превращается в мартенсит (без образования структур перлитного типа).

Превращение аустенита в мартенсит происходит в интервале температур (область V). Температура начала мартенситного превращения и обозначается «М_н». конца – «М_к». Для того чтобы мартенситное превращение происходило, необходимо непрерывное охлаждение аустенита в интервале температур «М_н - М_к». Если охлаждение прекратить, то превращение аустенита в мартенсит остановится.

Температуры начала и конца мартенситного превращения (положение точек М_н и М_к) не зависят от скорости охлаждения и определяются химическим составом стали. Чем больше углерода в стали, а при нагреве в аустените, тем ниже эти температуры Все легирующие компоненты, за исключением кобальта и алюминия, понижают точки М_н и М_к. Если температура М_к ниже 20°С (это температура цеха, до которой реально происходит охлаждение при закалке), то после закалки в структуре сохраняется аустенит, называемый остаточным.

Мартенситное превращение характеризуется высокой скоростью роста зародышей. Мартенсит имеет пластинчатое строение. Скорость роста этих пластин очень большая - 1000…7000 м/с, размеры пластин мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита. Чем больше зерно аустенита, тем крупнее пластины мартенсита.