5.8. Состав и свойства железоуглеродистых сплавов
1) Аллотропные превращения чистого железа. Железо имеет четыре аллотропные формы: α -Fe, β -Fe, γ -Fe и δ -Fe. Практическое значение имеют только α -Fe и γ -Fe, так как β -Fe и δ –Fe отличаются от α -Fe только величиной межатомного расстояния в кристаллической решетке объемно-центрированного куба, а для β -Fe характерно еще отсутствие магнитных свойств.
Аллотропные превращения железа видны на его кривой охлаждения (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Кривая охлаждения железа.
Свойства γ -Fe и α -Fe значительно отличаются. γ -Fe не магнитно, хорошо растворяет углерод и образует с ним твердый раствор переменного состава - аустенит.
α -Fe обладает магнитными свойствами, в 100 раз хуже растворяет углерод, образуя с ним твердый раствор - феррит.
2) Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.
АУСТЕНИТ - твердый раствор углерода в γ -Fe. Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку γ -Fe, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры, максимальное содержание углерода 2,14 %. Область сущесвования аустенита 1392...723 С, твердость его НВ = 170...200, магнитными свойствами не обладает.
ФЕРРИТ - твердый раствор углерода в α -Fe переменного состава, максимальное содержание углерода 0,02 %, область существования с 910˚С. Феррит мягкий, пластичный, сильно магнитный, хорошо проводит тепло и электричество, при отсутствии примесей не корродирует. Твердость феррита НВ = 60...80.
ЦЕМЕНТИТ - карбид железа (Fe3C), химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Имеет металлический блеск, слабо магнитен, плохо проводит электрический ток и тепло, очень твердый (НВ = 800) и хрупкий, неустойчив, распадается при термической обработке.
ПЕРЛИТ - механическая смесь феррита и цементита, эвтектоид, образующаяся при 723˚С и содержании углерода 0,83 % в результате распада аустенита. Твердость перлита НВ = 160...260.
5.9. Упрочение стали
Упрочение стали достигается термической обработкой, которая заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении по определенному режиму.
1) Структура стали в зависимости от режима охлаждения.
Сталь при разных режимах охлаждения может приобрести структуру мартенсита, троостита, сорбита или перлита.
МАРТЕНСИТ образуется при резком охлаждении стали и представляет собой пересыщенный раствор углерода в α - Fe с искаженной кристаллической решеткой. Это объясняется тем, что при резком охлаждении происходит только частичный распад аустенита, заключающийся в перестройке кристаллической решетки из гране-
центрированной в объемно- центрированную, однако углерод выделиться не успевает. Мартенсит наиболее неустойчивая и, в то же время, наиболее твердая и хрупкая структура стали
ТРООСТИТ образуется при менее быстром охлаждении стали, распад аустенита происходит полнее, и структура стали представляет собой высокодисперсную смесь феррита и цементита. Углерод, выделяющийся из решетки α -Fe, образует цементит Fe3C с величиной зерна 10-10 ...10-9 м.
СОРБИТ образуется при средних скоростях охлаждения. Структура стали представляет собой уже грубодисперсную смесь феррита и цементита (диаметр зерен цементита 10-8 ..10-7 м).
ПЕРЛИТ образуется при очень медленном охлаждении в результате полного распада аустенита. Перлит - это равновесная структура стали, представляющая собой грубодисперсную смесь феррита и цементита (диаметр зерна цементита 10-6м).
При переходе от мартенсита к перлиту происходит уменьшение твердости и хрупкости, повышение прочности и пластичности.
2) Виды термической обработки стали.
ЗАКАЛКА - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и быстрое охлаждение. При охлаждении в холодной воде получается мартенсит, в горячей воде - троостит, в расплавленном свинце - сорбит. Цель - понижение хрупкости и повышение прочности стали.
ОТПУСК - нагрев стали до 600˚С, выдержка и охлаждение. Цель - понижение внутренних напряжений закаленной на мартенсит стали, снижение ее твердости и хрупкости.
ОТЖИГ - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и охлаждение вместе с печью. Структура металла становится мелкокристаллическая, возрастает пластичность. Цель - понижение твердости стали для повышения обрабатываемости режущим инструментом.
НОРМАЛИЗАЦИЯ - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и охлаждение на воздухе. Цель - получение стали с высокой пластичностью и ударной вязкостью при повышенной прочности.
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА - горячая или теплая деформация изделия нагретого до состояния аустенита с последующим регламентированным охлаждением. Цель - получение закаленной на мартенсит стали с мелкодисперсной структурой повышенной плотности, которая обуславливает высокие механические свойства металла.
Степень достижения цели термической обработки определяется температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и режимом охлаждения.
3) Химико-термическая обработка стали.
Химико-термическая обработка стали проводится с целью упрочения ее поверхностных слоев (повышения твердости, износостойкости и т.п.). Она заключается в изменении химического состава стали на поверхности изделия и последующей термообработке.
ЦЕМЕНТАЦИЯ - поверхностное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью получения твердой поверхности и вязкой сердцевины.
АЗОТИРОВАНИЕ - поверхностное насыщение стали азотом с целью получения очень высокой твердости, повышенной коррозионной стойкости.
ЦИАНИРОВАНИЕ - одновременное насыщение поверхности металла азотом и углеродом для повышения износоустойчивости и усталостной прочности.
ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ - процесс поверхностного насыщения стали алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование) и другими элементами. Цель - резкое повышение жаростойкости, износоустойчивости, коррозионной стойкости стали.