Основные теоретические положения

Определение температур критических точек

Знание критических точек необходимо не только для характеристики превращений, но и для выполнения тепловой обработки и, в ча­стности, установления режимов термической обработки (температур нагрева для отжига, нормализации, закалки и высокого отпуска). На диаграмме железо — углерод (см. рис.) критическим точкам Ас₁ отвечает линия PSК, критической точке Ас₃ (для доэвтектоидной стали) — линия GS. Температуры закалки и отжига обычно на 30— 50 °С выше Ас₃ для доэвтектоидной и на 30—50 °С выше Ас₁ для заэвтектоидной углеродистой стали.

Однако диаграмма железо — углерод характеризует состояние чистых железоуглеродистых сплавов; промышленные сплавы со­держат, кроме того, марганец, кремний, фосфор и серу (а также в не­больших количествах хром, никель и др.). В углеродистых сталях влияние этих примесей на положение критических точек не столь значительно, что и позволяет с некоторым приближением определять температуры термической обработки по диаграмме железо — угле­род. При увеличении содержания марганца (свыше 0,7—0,8 %) или кремния (свыше 0,5—0,6 %) или при введении других легиру­ющих элементов (никеля, хрома и др.) положение критических точек значительно изменяется и определение их по диаграмме железо — углерод или по тройной диаграмме железо — углерод — легирующий элемент для стали, содержащей несколько легирующих элементов, становиться невозможным.

Вследствие отсутствия диаграмм ряда многокомпонентных систем для назначения режимов термической обработки необходимо экспе­риментальное определение критических точек — областей превра­щений. Для широко применяемых сталей критические точки опре­делены и указаны в технической литературе и справочниках. Однако критические точки разных плавок могут несколько отличаться, особенно для сложнолегированной стали при отклонениях в содер­жании отдельных элементов от среднего состава. На заводах при установлении режима термической обработки легированной стали разных плавок предварительно определяют критические точки. Оно особенно необходимо для сталей новых составов и марок. Для этой цели применяют методы пробных закалок, дилатометрический, дифференциальный термический и измерения электросопротивле­ния. Дилатометрический, дифференциальный термические методы и метод измерения электросопротивления рассмотрены в специальной литературе. Применение этих методов обеспечивает высокую точность.

Метод пробных закалок является более простым, но менее точ­ным; он заключается в следующем. Из исследуемой стали, в котором она поставлена металлургическим заводом, изготавливают образцы в виде шайб диаметром 15—20 мм и высотой 12—15 мм. Один образец нагревают ниже предполагаемой температуры Ас₁ быстро охлаждают в воде и измеряют его твердость; второй образец нагревают на 10— 15° выше, также охлаждают и измеряют его твердость. Таким же образом нагревают до все более высокой температуры каждый сле­дующий образец. Предположим, что требуется определить крити­ческие точки Ас₁ и Ас₃ углеродистой стали с содержанием 0,4 % С; положение этой стали на диаграмме железо — углерод (без учета влияния примесей) показано вертикальной пунктирной линией (рис. 1). Очевидно, что нагрев ниже точки Ас₁ например до точки 1 (на рис. 1), не может изменить структуру и повысить твердость; последняя может даже несколько понизиться, если сталь была пред­варительно недостаточно отпущена или отожжена.

Однако твердость возрастает, если сталь нагреть несколько выше Ac₁, например до температуры, соответствующей точке 2 (см. рис. 1), а затем охладить в воде. Структура в этом случае изме­нится; сталь получит структуру феррит + аустенит. В результате быстрого охлаждения сталь получит структуру феррит + мартенсит, так как аустенит при охлаждении превратится в мартенсит. Феррит, сохранившийся при нагреве до точки 2, останется при охлаждении без структурных изменений. Образование более твердой составля­ющей мартенсита повышает твердость.

После, более высокого нагрева, например до точки 3 (см. рис. 1), твердость еще больше увеличится. Поскольку с повышением темпе­ратуры в интервале Ас₁ и Ас₃ количество аустенита возрастает, а ко­личество феррита уменьшается, то в закаленной стали должно уве­личиваться количество твердой составляющей — мартенсита. Повышение твердости должно продолжаться до тех пор, пока не будет достигнута температура Ас₃. Тогда сталь при нагреве получает полностью аустенитную структуру, а при охлаждении — структуру мартенсита. Очевидно, что дальнейшее повышение температуры за­калки не изменит структуру стали и ее твердость в закаленном состоянии. Результаты измерения твердости записывают в таблицу, по данным которой строят диаграмму твердость — температура на­грева. Вид такой кривой для доэвтектоидной стали показан на рис. 2: температура начала повышения твердости отвечает точке Ас₁ а конца подъема точке Ас₃.

Рис. 1. Стальной угол диаграммы железо — углерод

(область превраще­ний в твердом состоянии).

Рис. 2. Диаграмма для опре­деления критических точек до­эвтектоидной стали

по способу пробных закалок.

Кривые для эвтектоидной и заэвтектоидной стали имеют иной ход. При нагреве ниже Ас₁ эти стали, как и доэвтектоидные, не изменяют структуру, но при нагреве выше точки Ac₁ эвтектоидная сталь получает структуру аустенита, а заэвтектоидная — аустенит и цементит. После закалки эвтектоидная сталь имеет структуру мартенсита; заэвтектоидная — мартенсита и цементита. Эти струк­турные состояния определяют высокую твердость (>60 HRC). Еще более высокий нагрев мало изменяет твердость, кривая твердости на диаграмме имеет в связи с этим резкий перелом, соответствующий температуре Ас₁.

Точность способа пробных закалок зависит от величины интер­вала температур нагрева каждого следующего образца. В промыш­ленности для определения температур закалки достаточно надежен нагрев через каждые 10 °С, причем до каждой температуры нагре­вают два — три образца. Точность определения критических точек в этом случае составляет примерно ±5 °С. Такая точность не яв­ляется достаточной при изучении диаграмм состояния и для многих исследовательских работ. Вместе с тем метод пробных закалок не позволяет определить температуру и процесс растворения цементита (точки Ас_т в заэвтектоидной стали) и сложных карбидов многих легированных сталей. Для определения превращения этого типа необходимо применять более тонкие методы исследования.