книги из ГПНТБ / Макиенко, Н. И. Слесарное дело с основами материаловедения учебник

Г ла в а VI

ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

охлаждения с целью получения металлов и сплавов с необходимы­ ми свойствами.

Термической обработке подвергают заготовки (кованые, штам­ пованные, литые и др.) и готовые детали. Заготовки подвергают термической обработке в целях улучшения их структуры и сниже­ ния твердости, а обрабатываемые детали— для придания нм необходимых свойств: твердости, прочности, износостойкости, упругости и др.

Термическая обработка применялась с давних времен, но сущ­ ность изменений, происходящих при нагреве и охлаждении спла­ вов, и, следовательно, умение управлять ими и получать нужные результаты были изучены недавно.

Д. К. Чернов, работая на Обуховском заводе над изучением орудийных сталей, обнаружил ряд изменений в стали при ее на­ гревании и охлаждении, которые не были замечены металлургами до него. Наблюдая за раскаленными заготовками стали, он неод­ нократно замечал, что при определенных температурах в металле происходят какие-то внутренние превращения (изменения). Об этом можно было судить по двум признакам: в определенный момент цвет охлаждаемой стали становился на несколько мгновений ярче, и в это же время от стали интенсивно отскакивала окалина. Он открыл две температуры, которые оказывали решаю­ щее значение на строение и свойства охлажденной стали.

Д. К. Чернов назвал эти температуры критическими точками и обозначил буквами А и В. В настоящее время эти точки обознача­ ют Асі и Ас3. Одна критическая точка соответствовала темно-виш­ невому калению, т. е. 723°С (точка А), а вторая — красному кале­ нию— около 800°С (точка В).

Это открытие Д. К. Чернова имеет мировое значение. Практи­ чески оно значит, что для получения высоких механических свойств сталь следует нагревать до точки В или несколько выше, а затем охладить.

Последующие исследования ряда ученых подтвердили сущест­ вование критических точек и превращений в стали, которые впер­ вые объяснил Д. К. Чернов.

Изменяя температуру и продолжительность нагрева, темпера­ туру и продолжительность выдержки и скорость охлаждения, мож­ но сообщить стали одного и того же химического состава самые разнообразные свойства, т. е. делать ее твердой или мягкой, в раз­ личной степени пластичной, хрупкой и т. п. Совокупность этих ус­ ловий называется режимом термической обработки.

61

§ 19. АЛЛОТРОПИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ

Panes отмечался процесс образования кристаллических реше­ ток. Пространственные кристаллические решетки некоторых ме­ таллов не всегда являются постоянными. При определенных усло­ виях решетка может изменяться, так как атомы находятся в непрерывном тепловом движении (колебании). С повышением

Рис. 25. Схема аллотропических превращений чистого железа при охлаждении

температуры металла амплитуда колебаний их резко возрастает и наоборот. Сущность расплавления металла заключается в том, что кристаллическая решетка разрушается и атомы приходят в беспорядочное передвижение.

Изменение строения, или параметров (размеров), кристалличе­ ской решетки металла всегда приводит к изменению его физико­ механических свойств.

Способность металлов образовать несколько типов кристаллп-

62

ческих решеток называется пол и мо р ф и з м о м * или аллотропи­ ей. Процесс перехода из одного типа кристаллического строения в

дении чистого железа. При температуре 1535° С железо из жидкого состояния переходит в твердое. В результате образуется б-железо, имеющее кристаллическую решетку объемно-центрированного куба.

При охлаждении до 1400° С б-железо принимает новую алло­ тропическую форму — у-железо, а решетка объемно-центрирован­ ного куба перестраивается в решетку гранецентрированного куба.

Охлаждение с 910 до 768° С вызывает переход у железа в ß-железо с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба. При температуре 768° С кристаллическая решетка уже не пе­ рестраивается, а только внутренне изменяется.

Таким образом, самостоятельными кристаллическими решетка­ ми, т. е. аллотропическими формами, являются а- и у-железо. Кро­ ме железа, аллотропические превращения могут испытывать ко­ бальт, олово, марганец п другие металлы.

Температуры, при которых происходят эти внутренние измене­ ния, или структурные превращения, называются к р и т и ч е с к и м и т о ч к а м и.

Наглядное представление о кристаллизации и структурных пре­ вращениях при нагреве и охлаждении углеродистых сталей дает графическое изображение — диаграмма состояния сплавов железо — углерод. По ней определяют температуру плавления и застывания стали с различным содержанием углерода, изменение структуры. Диаграмма состояния помогает устанавливать правильные режимы ковки, штамповки, прокатки углеродистых сталей и их последую­ щей термической обработки.

Диаграмма состояния сплава железо — углерод изображена на рис. 26. По горизонтальной оси диаграммы откладывается со­ держание углерода в стали в процентах, по вертикальной — темпе­ ратура в градусах Цельсия. Каждая точка на диаграмме характе­ ризует определенный состав сплава при определенной температуре.

скольких различных модификациях, различающихся по физическим свойствам. Частный случаи полиморфизма — аллотропия железа.

63

железо — углерод могут иметь различные структурные составляю* щие: феррит, перлит, цементит, аустенит и др. Каждая из этих струк­ тур имеет свои свойства.

Ф е р р и т — Ф (от латинского слова «феррум» — железо) представляет собой твердый раствор углерода в a-железе. При 723° С в а-железе может содержаться до 0,02% углерода, а при 20°С — лишь 0,006% углерода. Феррит обладает высокой плаетнч-

1550°

феррит наблюдается в виде светлых зерен. Кристаллическая ре­ шетка феррита — кубическая объемно-центрированная.

Ц е м е н т и т — Ц —химическое соединение железа с углеродом, т. е. карбид железа. Цементит содержит 6,67% углерода и до 210° С сохраняет магнитные свойства. Цементит обладает высокой твер­ достью (НВ 760—800) и повышенной хрупкостью. В структуре стали и чугуна под микроскопом цементит наблюдается в виде игл, отдельных включений и сетки по границам зерен.

А у с т е н и т — А (по имени У. Робертса-Аустена — английского металлурга) — твердый раствор углерода в у-железе. Он немагни­ тен, отличается высокой пластичностью, значительными прочно­ стью и вязкостью. Твердость аустенита НВ 170—220. Микрострук­ тура аустенита представляет зерна в виде многогранников. Кри­ сталлическая решетка — кубическая гранецентрированная.

64

Мягкая углеродистая сталь (0,12% С)

Углеродистая сталь

(0.5% С)

Углеродистая сталь

(0.9% С)

Углеродистая сталь

(1.2% С)

Марганцовистая сталь

(10 -14% Мп)

Быстрорежущая сталь

(10% W; 4% Сг;

0.7% С)

Вольфрамовая сталь

(1.3% W)

Кремнистая сталь

Хромистая сталь

Хромоникелевая сталь

(3 -4 % N1. 1% Сг)

Рис. 18. Проба на искру

с

Рис. 29. Цвета каления

П е р л и т —- П — механическая смесь кристаллов феррита и це­ ментита. Эта структура образуется в результате распада аусте­ нита при медленном охлаждении.

Чистый перлит содержит 0,8% углерода. В зависимости от фор­ мы образования цементита перлит бывает пластинчатый (цементит в виде пластинок) и зернистый (цементит в виде зерен). Механиче­ ские свойства перлита зависят от степени измельчения частичек цементита. Перлит с наиболее мелкими частицами цементита обла­ дает наивысшими механическими свойствами. Твердость пластин­ чатого перлита НВ 200—250, зернистого НВ 160—220.

Л е д е б у р и т — представляет собой эвтектику (смесь), состоя­ щую из кристалликов цементита и аустенита и образующуюся при кристаллизации жидкого сплава, содержащего 4,3% углерода.

Д и а г р а м м а с о с т о я н и я с п л а в о в ж е л е з о — у г л е ­ род, представленная на рис. 26, охватывает не все сплавы желе­ за с углеродом, а лишь содержащие от 0 до 6,67% углерода, т. е. от чистого железа до цементита. Железоуглеродистые сплавы, со­ держащие более 5% углерода, не представляют практического интереса. Число 6,67% взято в качестве предела на том основании, что при таком содержании углерода образуется химическое соеди­ нение — цементит.

Когда температура сплава соответствует линии ACD, начина­ ется процесс кристаллизации: из жидкого сплава I выделяются кристаллы аустенита (линия АС) и цементита (линия CD). Так как цементит выделяется из жидкого сплава в процессе первичной кристаллизации, то его называют первичным. Линия AECF явля­ ется линией с о л и д у с а. В точке С сплав, содержащий 4,3% угле­ рода, переходит в твердое кристаллическое состояние. Эту точку и сплав такого состава называют э в т е к т и ч е с к и м . Структура эвтектического сплава представляет собой ледебурит. Таким обра­ зом, чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим, менее 4,3% углерода — доэвтектическим и более 4,3% углерода — заэвтектическим.

В зоне III диаграммы сплав состоит из цементита и жидкого сплава, а в зоне II — из кристалликов аустенита и жидкого сплава. Содержание углерода в кристалликах аустенита определяется ли­ нией АJE.

При температурах, соответствующих линии /15, из жидкого сплава выделяется твердый раствор 6. На горизонтали HJB при I4860 С происходит превращение. Оставшийся жидкий сплав взаи­ модействует с твердым раствором б и в точке / переходит в аусте­ нит, левее точки J — в структуру аустенит — твердый раствор б, правее точки / — в аустенит и жидкий сплав.

Затвердевание сплавов, содержащих до 2% углерода, заканчи­ вается на линии AHJE. Ниже линии HJE в зоне IV сплавы пред­ ставляют собой аустенит.

В нижней части диаграммы превращение происходит в твердом состоянии. Линия GS (линия Л3) представляет собой температуры начала выделения феррита и аустенита. Она показывает, что тем-

пература образования феррита понижается с 910° С (точка G) для чистого железа до 723°С (точка S) для сплава, содержащего 0,8%! углерода. Феррит, который выделяется из аустенита при охлажде­ нии, содержит не более 0,04% углерода.

При понижении температуры до 723° С (линия PS) в зоне VIII сплав состоит из феррита и аустенита. В точке 5 аустенит перехо­ дит в перлит. В результате превращений сплавы, содержащие ме­ нее 0,8% углерода, имеют структуру феррита и перлита (зона IX). При содержании углерода 0,8% в структуре остается только пер­ лит, называемый эвтектоидом. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектондной, менее 0,8% углерода — доэвтектоидной, более 0,8% углерода — заэвтектондной.

Взоне V находятся в равновесии две структурные составляю­ щие— цементит и аустенит. Линия SE определяет предел раство­ римости углерода в аустените. При 1130° С (точка Е) в аустените растворяется 2% углерода. В зоне X структура сплавов состоит из перлита и вторичного цементита.

Взоне VI сплав состоит из ледебурита, аустенита и вторичного

цементита, в зоне VII — из первичного цементита и ледебурита, в

Описанные изменения структуры сплавов при охлаждении об­ ратимы.

Приборы для измерения температуры нагрева

Правильное определение температуры нагрева стали при тер­ мической обработке имеет очень большое значение.

При нагревании стали необходимо помнить, что разные марки ее имеют различную температуру нагрева.

Для измерения и контроля температуры до 400° С пользуются

Рис. 27. Термоэлектрический пирометр:

1 — термопары, 2 — милливольтметр, 3 — проволоки, 4 — кожух, 5 — фар' форовая трубочка, 6 — проводники, 7 •— место спая

66

представляет собой прибор, в котором имеются две проволоки (термоэлектроды) 3 из разнородных металлов или сплавов, сварен­ ных в точке 7. Каждая из проволочек заключена в фарфоровую трубочку 5. Трубочки помещены в кожух 4. Свободные концы про­

нет незаметным. При этом по отклонению стрелки пирометра опре­ деляют температуру нагрева металла.

Для контроля используются также электронные автоматические потенциометры типа ЭПД. Температура в них записывается на дисковой диаграмме, которая совершает полный оборот за 24 ч. Для наблюдения за показаниями прибор имеет также показываю­ щую стрелку. Контроль температур при термической обработке осуществляют также приближенными способами, дающими ориен­ тировочное значение температур нагретого металла по оттенкам, которые принимает раскаленная сталь. К таким способам относят­ ся определение температуры металла по ц в е т а м к а л е н и я (рис. 29, вклейка, стр. 64), при нагреве под закалку или отжиг, а также определение температуры металла при отпуске по ц в е т а м п о б е ж а л о с т и , появляющимся на поверхности изделия (см. рис. 30, вклейка, стр. 64). Наблюдаемая поверхность металла в этом случае должна быть чистой, без окалины.