Технология конструкционных материалов

лерода 4,3 % (точка С) жидкость распадается на механическую смесь аустенита и цементита — аустенитный ледебурит (рис. 2.4, в).

Такое превращение, протекающее при постоянной температуре (участок 2Ш—2{„на кривой охлаждения сплава III), называется эвтек­ тическим, линия ECF — линией эвтектического превращения, а сама механическая смесь — эвтектической. Сплавы, лежащие левее точ­ ки С, называются доэвтектическими, правее — заэвтектическими.

Эвтектический сплав содержит 4,3 % С.

Рис. 2.4. Частьдиаграммы состояния Fe—Fe3C для белых чугунов (а), сгруктурообразованиетиповых сплавов, кривые охлаждения и структуры белых чугунов (б) и сгруктурообразование сплава с содержанием углерода 3 %при температуре точки 2 (в)

Между точками 2Ши Зт из аустенита выделяется вторичный це­ ментит (линия ES, рис. 2.2), в этой области в равновесии находятся фазы А + JI + Ц„ = А + (А + Ц) + Ц„. При температуре 727 °С (участок охлаждения сплава III) аустенит распадается с образованием перлита и ниже точки •^111 в равновесии находятся фазы П + JI + Ц„.

При этомледебурит превращается из аустенитного в перлитный (смесь перлита и цементита).

Всплаве IVниже точки /,уиз жидкости выделяются кристаллы це­ ментита, в чем можно убедиться, проведя горизонтальную линию ни­ же точки 1]у. Состав жидкой фазы изменяется по линии DC. При дос­ тижении 1147 °С жидкая фаза, содержащая 4,3 % углерода, распада­ ется на механическую смесь аустенита и цементита (ледебурит). Это происходит на участке (кривая охлаждения сплава IV). Даль­ нейшие превращения аналогичны превращениям в сплаве III.

Сплавы железа, с углеродом после окончания всех превращений при температурах ниже 727 °С имеют различную структуру. Их услов­ ное изображение и микроструктуры показаны на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Графическое изображение структур (а) и микроструктуры углеродистых сплавов (б):

1 - 0,005 % С, Ф; 2 - 0 , 1 5 % С, Ф + П; J - 0 , 3 5 % С, Ф + П; 4 - 0 ,8 % С , зер­

нистый перлит; 5 — 0,8 % С пластинчатый перлит; 6 — 1,2 % С , П + Ц;

7 — 3 % С, П + Л; 8 - 4,3 % С , Л; 9 —5 % С, Д , + Л

концентрации которого растет количество цементита. Железоуглеро­ дистые сплавы принято классифицировать по равновесной структуре в соответствии с диаграммой состояния Fe—Fe3C. Согласно этой клас­ сификации, различают стали доэвтектоидные (0,02...0,8 % С, структура Ф + П); эвтектоидные (0,8 % С, структура — перлит, строение которого может быть пластинчатым или зернистым); заэвтектоидные (8...2,14 % С, структура — П + Ц„). Белые чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14...4,3 % С, структура П + Ц„ + JI); эвтектические (4,3 % С, струк­ тура — JI) и заэвтектические (4,3...6,67 % С, структура —^Ц, + JI).

Образование стабильной фазы (графита) в чугуне будет подробно рассмотрено в разделе III.

Для любого сплава с содержанием углерода от 0до 6,67 %диаграм­ ма состояния железо — цементит позволяет проследить за превраще­ ниями, происходящими при его нагреве и охлаждении, определить температуру начала и конца плавления (затвердевания) сплава, выяс­ нить температурные интервалы фазовых превращений, а также уста­ новить зависимость растворимости углерода в феррите и аустените от температуры.

Всоответствии с этой диаграммой назначают режимы термической обработки сталей и горячей обработки металлов давлением. Из нее также получают другие необходимые для производства сведения.

36 Раздел I. Материаловедение

На этом рисунке показаны температурные области нагрева загото­ вок при различных видах термической обработки сталей.

Температуры фазовых превращений при термической обработке сталей (критические точки) определяютсялиниями PSK, GSn SEдиа­ граммы состояния Fe—Fe3C. Нижняя критическая точка, соответст­ вующая превращению аустенита в перлит при температуре PSK, обо­ значается Ау Верхняя критическая точка, соответствующая началу выделения феррита из аустенита или концу превращения феррита в аустенит (линия GS), обозначается А3. Температура линии выделе­ ния вторичного цементита (SE) обозначается Аст.

Чтобы отличить критические точки при нагреве от критических точек при охлавдении, рядом с буквой А в первом случае ставят букву «о, во втором — «г».

При термической обработке стали происходят четыре основных превращения:

1) перлита в аустенит выше точки А,:

Fea + Fe3C — Fey(C), или П — А;

2) аустенита в перлит ниже точки А,:

Fer(C) —> Fea+ Fe3C, или А -» П;

3) аустенита в мартенсит при температурах ниже температуры метастабильного равновесия этих фаз:

Fey(C) - » Fea(C), или А -> М;

4) мартенсита в перлит:

Fea(C) Fea + Fe3C, или М -» П.

3.1.1. Превращение перлита в аустенит и рост зерна аустенита при нагреве

При нагреве сталей выше Ас, происходит превращение перлита в ау­ стенит. Как правило, кристаллы аустенита (рис. 3.2, б) зарождаются на межфазных поверхностях раздела феррита с цементитом; в аустените растворяется углерод распадающегося цементита.

Превращение перлита в аустенит состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного (а у)-перехода и растворения

в Feyуглерода из распадающихся кристаллов цементита. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, поэтому после завер­ шения превращения аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется время (выдержка). Для определе­ ния длительности превращения используют диаграмму изотермиче­ ского превращения перлита в аустенит (рис. 3.2, а), из которой видно, что чем меньше температура, тем больше бремени необходимо для за­ вершения процесса. Лучи на диаграмме соответствуют нагреву с раз­ личными скоростями (К, < V2 < VJ.

а

S L

ч

S \

20 22 т, мин

Fe3C

Рис. 3.2. Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит в эвтектоидной стали (а) и схема зарождения и роста кристаллов аустенита {б)

Встали эвтектоидного состава перекристаллизация заканчивается после завершения превращения перлита в аустенит. Вдо- и заэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит в структуре со­ храняются соответственно феррит и цементит. Вдоэвтектоидных ста­

лях при нагреве от Ас, до Ас3происходит превращение феррита в ау­ стенит, а в заэвтектоидных при нагреве от Ас, до Асгт— растворение вторичного цементита в аустените.

При нагреве выше критической точки Ас, из перлита, независимо от размеров его зерен, образуются мелкие зерна аустенита, которые называют начальными зернами (рис. 3.3). Повышение температуры стали приводит к росту зерна аустенита, так как происходит процесс собирательной рекристаллизации. Скорость роста аустенитных зе­ рен при нагреве выше температур Ас3и Асстнеодинакова у разных сталей и зависит от способа их раскисления и наличия легирующих элементов. С учетом скорости роста аустенитных зерен различают стали наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозер­ нистые. К наследственно крупнозернистым относятся стали, раскис­ ленные ферросилицием и ферромарганцем. В таких сталях по мере нагрева выше температур Ас}и Асстзерна аустенита быстро укрупня­ ются.

Рис. 3.3. Схема наследственной зернистости

ивлияние температуры нагрева на величину зерна аустенита:

а— начальное зерно аустенита; б — наследственно крупнозернистая сталь;

в— наследственно мелкозернистая сталь

Кнаследственномелкозернистым относятся стали, дополнительно раскисленные алюминием, а также легированные титаном, вольфра­ мом и ванадием. В этих сталях при нагреве до 1000—1100 °С зерна аустенитарастутс малой скоростью. Такое поведение сталей объясня-

ется тем, что присутствующие в них оксиды и нитриды алюминия, ти­ тана, ванадия, а также карбиды титана и ванадия располагаются по границам зерен в виде мелких включений и механически препятству­ ют их росту при нагреве. При температурах выше 1000—1100 °С проис­ ходит растворение этих включений в аустените, в результате чего уст­ раняется препятствие для роста зерен.

От размера зерна аустенита, образовавшегося при нагреве до опре­ деленной температуры и получившего название действительного, за­ висит степень дисперсности продуктов распада аустенита. Если зерно аустенита мелкое, то и продукты распада при охлаждении получаются мелкими. Действительное аустенитное зерно определяют с помощью специальных металлографических микроскопов, сравнивая его с этало­ ном по балльной шкале (ГОСТ 5639-82). Стали с зерном 1...5 баллов считаются крупнозернистыми, а 6...15 — мелкозернистыми. Размер действительного зерна оказывает влияние на прочностные, техноло­ гические и эксплуатационные свойства стали.

3.1.2. Превращения аустенита при охлаждении

Если сталь со структурой аустенита охладить до температуры ни­ же Аг„ то аустенит претерпит превращение. Скорость превращения и строение продуктов распада аустенита зависят от степени переох­ лаждения, т. е. от температуры, при которой оно происходит.

Закономерности этого процесса характеризуются диаграммой изо­ термического превращения переохлажденного аустенита (рис. 3.4).

Для изучения изотермического превращения аустенита неболь­ шие образцы стали нагреваютдо температур вышеАсъс целью получе­ ния стабильного аустенита, а затем быстро охлаждают до температур нижеЛг, (например, до 700,600,500,400,300 °С и т. д.), и выдержива­ ют при этой температуре до полного распада аустенита.

Превращения аустенита при постоянных температурах ниже Лг, описываются кинетическими кривыми (рис. 3.4, а), показывающими количество распавшегося аустенита в зависимости от времени, про­ шедшего с момента начала его распада. Как видно из рисунка, после охлаждения стали до температур ниже Критической точки А, должен пройти инкубационный период 0—Н, в течение которого сохраняется метастабильный аустенит. По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более стабильных структур.