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.

 

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.