3.3. Критические точки сталей (точки Чернова)

Открытие Д. К. Черновым в 1886 г. критических точек стали послужило фундаментом для создания науки о металлах и построения диаграммы железоуглеродистых сплавов. Важнейшее значение работ Чернова – установление связи между обработкой стали, ее структурой и свойствами. Это обеспечило возможность назначения режимов термической обработки сталей.

Критические точки сталей обозначают буквой А с индексом, указывающему, какому процессу соответствует критическая точка: нагреву – индекс «с», охлаждению – «r». Кроме того, каждая точка имеет постоянный номер, который соответствует определенной температуре (линии диаграммы).

Для определения критических точек сталей рассмотрим «стальную часть» диаграммы на рис. 24. Сечение Iздесь соответствует доэвтектоидной стали (С < 0,8 %). Там, где сечение пересекает линии диаграммы и будут критические точки. При нагревании сечение пересекает пунктирную линию, которая проходит через всю диаграмму от линииPQдо правой ординаты, буквенного обозначения она не имеет, ее температура – 210С – это критическая точка Ас₀– магнитное превращение цементита (цементит теряет магнитные свойства).

Затем сечение пересекает линиюPSK, температура – 727С, критическая точка Ас₁– превращение перлита в аустенит (начало перекристаллизации). Далее сечение пересекает линию МО, температура – 768С, точка Ас₂– превращение железа-альфа в немагнитное бета-железо, сталь становится немагнитной. Дальнейшее повышение температуры приводит к пересечению линииGS– точка Ас₃, сталь переходит в однофазное аустенитное состояние (конец перекристаллизации).

Температура точки Ас₃зависит от содержания углерода в стали, поскольку линия диаграммыGSнаклонная.

При охлаждении номера точек не меняются. В точке Аr₃(линияGS) начнется перекристаллизация стали, в точке Аr₂(768С) бета-железо переходит в магнитное альфа-железо, в точке Аr₁(727С) аустенит переходит в перлит и заканчивается перекристаллизация стали, а в точкеAr₀цементит становится магнитным. Следовательно, доэвтектоидные стали имеют критические точки А₀, А₁, А₂и А₃.

У заэвтектоидных сталей С > 0,8 % (сечение IIна рис. 24). При температуре 210С в точке Ас₀цементит теряет магнитные свойства. Дальнейший нагрев вызывает превращение перлита в аустенит в точке Ас₁, температура – 727С (начало перекристаллизации). Затем сечение пересекает линию диаграммыES. На этой линии перекристаллизация заканчивается и происходит переход стали в однофазное аустенитное состояние. Точка на линииESномера не имеет, она обозначается буквойm(Ас_m). Температура этой точки зависит от содержания углерода в стали. Следовательно, заэвтектоидные стали имеют три критические точки: А₀, А₁и А_m.

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что эвтектоидные стали (углерода 0,8 %) будут иметь две критические точки: А₀ и А₁(см. рис. 24).

Как указывал Д. К. Чернов, важнейшими значениями температуры (критическими точками) стали будут А₁, А₃и А_m. От температуры нагрева до указанных значений зависят фазовый состав, структура, а следовательно, и свойства стали.

Итак, при охлаждении на линии AC(см. рис. 22) из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода в гамма-железе – аустенита. По линииCDиз жидкого раствора начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Под этой линией в областиCDFвсе сплавы будут двухфазными: жидкий раствор и кристаллы цементита первичного. В точке С диаграммы (1147С), соответствующей концентрации 4,3 % углерода, где линии АС иCDпересекаются, происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита первичного с образованием мелкой смеси их кристаллов – эвтектики. Эвтектика в железоуглеродистых сплавах называетсяледебуритом. Точка С диаграммы – эвтектическая, а линияECF, проходящая через эту точку, – эвтектическая прямая, и в каждой точке этой прямой сплавы заканчивают первичную кристаллизацию образованием эвтектики. Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при первичной кристаллизации образуется эвтектика (ледебурит), называютчугунами. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми. В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита.

Чугуны, содержащие менее 4,3 % углерода, называются доэвтектическими, 4,3 % – эвтектическими, более 4,3 % – заэвтектическими.

Доэвтектические чугуны имеют в избытке гамма-железо, которое, растворяя углерод, образует аустенит (рис. 25, а). Поэтому в первую очередь в них образуются его кристаллы. Так будет до тех пор, пока жидкий сплав не приобретет эвтектический состав (4,3 % углерода); после этого он кристаллизуется на линии ЕС диаграммы состояния, образуя ледебурит. После окончания первичной кристаллизации эти сплавы состоят из кристаллов аустенита, окруженных эвтектикой, – ледебуритом.

У эвтектического чугуна, как у чистого металла кристаллизация начинается и заканчивается в точке С при постоянной и самой низкой для всех сплавов температуре – 1147С. Его структура – мелкая смесь кристаллов аустенита и цементита – ледебурит.

Заэвтектические чугуны в избытке имеют углерод, который способствует образованию, в первую очередь, кристаллов цементита первичного. За счет выделения углерода состав жидкого сплава изменяется, и когда в нем останется 4,3 % углерода, он закончит кристаллизацию на линии СFпри температуре 1147Cобразованием ледебурита, структура его будет состоять из кристаллов цементита первичного и ледебурита (рис. 25, б).

а б

Рис. 25. Микроструктура белых чугунов (500):

а – доэвтектический; б – заэвтектический

При охлаждении белых чугунов после окончания процесса кристаллизации в них будут происходить структурные и фазовые изменения. В доэвтектических чугунах в интервале температур от 1147 до 727Cвследствие понижения растворимости углерода от 2,14 до 0,8 % из аустенита будет выделяться цементит вторичный. На линииPSKпри температуре 727Cпроизойдет эвтектоидное превращение аустенита в перлит и ледебурит будет состоять из перлита и цементита. Следовательно, структура этих чугунов будет перлит, цементит вторичный и ледебурит (см. рис. 25, а).

В эвтектических и заэвтектических чугунах в процессе охлаждения после первичной кристаллизации будет происходить только эвтектоидное аустенито-перлитное превращение на линии PSKпри температуре 727C. Входящий в структуру этих чугунов ледебурит также будет состоять из перлита и цементита (см. рис. 25, б).