Железоуглеродистые сплавы. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

Железоуглеродистые сплавы - сплавы Fe (основа) с С. Различают чистые железоуглеродистые стали (со следами примесей), получаемые в небольших количествах для исследовательских целей, и технические железоуглеродистые стали — стали (до 2% С) и чугуны (св. 2% С), содержащие примеси, легирующие элементы, а иногда и модифицирующие добавки.

Диаграмма состояния железо – углерод описывает равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры. По ней судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплутационные свойства сплавов. Основными структурами, составляющими диаграмму железоуглеродистых сплавов, являются следующими.

Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т.е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах.

- Линия АВСД – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса).

- Линия АНJЕСF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса).

область AESG на диаграмме соответствует аустениту. Линия GS – линия начало выделения феррита, а линия SE – вторичного цементита. Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит. Линии GSK и PSK имеют большое значение при термической обработке стали. Линию GSK называют линией верхних критических точек, линию PSK – нижних критических точек.

Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe. Предельное содержание углерода при 723°С = 0,02%, при 20°С=0,006%. Феррит по свойствам близок к чистому железу, он мягок, его твердость НВ = 60-80, пластичен.

Цементит – карбид железа (Fe₃C) – химическое соединение, содержащее 6,67% углерода. Способен образовывать твердые растворе путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается при термической обработке. Он очень тверд (НВ=800) и хрупок.

Аустенит – твердый раствор углерода в γ-Fe. Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку. Устойчив только при высокой температуре, а с примесями Mn, Cr при обычных, даже низких температурах.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита; образуется в процессе распада аустенита при 723°С и содержании углерода 0,83%. Примеси Si и Mn способствуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода. Структура перлита может быть пластинчатой и зернистой.

Ледебурит – эвтектоидная смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130°С и содержании углерода 4,3%. структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Он очень тверд (НВ=700), хрупок.

Графит – мягкий и хрупкий компонент чугуна, состоящий из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.

С увеличением содержания углерода в железоуглеродистых сплавах меняется и структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается количество феррита. Чем больше углерода в сплавах, тем выше их твердость и прочность, но ниже их пластические свойства. Механические свойства сплавов зависят также от формы и размеров частиц структурных составляющих. Твердость и прочность стали тем выше, чем тоньше и мельче частицы феррита и цементита.

 

Превращение сплавов при нагревании и охлаждении. Понятие о режимах термической обработки стали. Обжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение. Влияние термической обработки на механические свойства стали.

Термическая обработка придает стальным изделиям опреде ленные механические свойства: высокую твердость, повысив этим сопротивление износу, меньшую хрупкость для улучшения обработки или повышения ударной вязкости и т. д. Это достигается нагревом и последующим охлаждением стали по строго определенному температурному режиму. В результате в нужном направлении изменяется структура стали, которая и определяет ее механические свойства. Термическая обработка стали основана на свойстве железа изменять строение кристаллической решетки при изменении температуры(аллотропия), а также различной растворимости углерода в кристаллических решетках разного строения. Существуют различные виды термической обработки: закалка, отпуск, отжиг, нормализация, цементация.

Закалка стали – этопроцесс нагрева до температуры Т_з=Т_кр+(30…50^оС), выдержки и резкого охлаждения стали от температуры 723-910⁰С до нормальной. Закалке могут быть подвергнуты лишь стали, содержащие свыше 0,25% углерода. При резком охлаждении стали в воде при температуре 723⁰С произойдет перекристаллизация гранецентрированной кристаллической решетки железа в объемно-центрированную, но структура перлита не образуется, т.к. атомы углерода, из-за быстрого повышения вязкости стали, не успевают выделяться из кристаллической решетки. Полученный пересыщенный раствор углерода в объемно-центрированной кристаллической решетке называется мартенситом. Эта структура неустойчивая, неравновесная, т.к. углерод стремится выделиться из кристаллической решетки и деформирует решетку, повышая при этом прочность и твердость стали и одновременно снижая ее пластичность и ударную вязкость.

Сталь, закаленная в воде (на мартенсит), обладает твердостью НВ=450-560 при нулевой ударной вязкости. Закалку на мартенсит производят для повышения твердости стали, применяемой в измерительных и режущих инструментах.

При более медленном охлаждении стали от состояния аустенита, например в масле, после перекристаллизации атомы углерода успевают выделиться из объемно-центрированной кристаллической решетки железа и образовать цементит с размером зерен 10^-7-10^-8см. Смесь феррита с зернами цементита размером 10^-7-10^-8см называется троститом. Сталь со структурой тростита имеет твердость НВ=250-450. Сталь, закаленную на тростит, применяют для режущих и ударных инструментов.

Отпуск заключается в нагреве предварительно закаленной на мартенсит стали до определенной температуры, выдерживании при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью. Сталь приобретает более высокую пластичность и ударную вязкость, чем сталь с той же структурой, полученной закалкой.

Низкий отпуск производят нагревом закаленной на мартенсит стали до 180-250⁰С. При таком нагреве в стали, без изменения ее структуры, исчезают напряжения, возникшие при закалке на мартенсит. Отпуск, не снижая твердости, повышает ударную вязкость стали.

Средний отпуск осуществляются нагревом закаленной на мартенсит стали до температуры 250-400⁰С. В результате нагрева вязкость стали повышается, и избыточный углерод выделяется из объемно-центрированной кристаллической решетки железа. Происходит распад мартенсита. Сталь приобретает структуру тростита со всеми характерными для него свойствами. Особенностью структуры тростита, полученного в результате отпуска, является форма цементита в виде шаров-глобул. Такая сталь, обладает более высокой ударной вязкостью и пластичностью, чем сталь с цементитом, имеющим пластинчатую форму.

Высокий отпуск заключается в нагреве закаленной на мартенсит стали до температуры 500-650⁰С. Образующиеся при этом зерна цементита размером 10^-5-10^-4см имеют форму глобул.

Полученная структура стали сорбита – отпуска обладает более высокой прочностью, твердостью и пластичностью, чем сталь, полученная при медленном охлаждении после плавки или проката. Поэтому высокий отпуск называют иногда улучшением стали и применяют при термическом упрочнении арматурной стали.

           Отжиг заключается в нагреве стали до температуры, на 50⁰С выше
724-910⁰С, с последующим медленным охлаждением в печах. Существует отжиг на равновесное состояние, на мелкое зерно и т.д. Отжиг на равновесное состояние заключается в следующем: сталь с неравновесной структурой, полученной при закалке или отпуске, нагревают до температуры выше 724-910⁰С и затем медленно охлаждают. Все свойства, полученные сталью при закалке или отпуске, после отжига снимаются. Отжиг на мелкое зерно заключается в следующем. Структура стали, полученной литьем или после горячей обработки, например ковки, имеет крупнозернистую структуру, которая характеризуется пониженными механическими свойствами. При нагреве стали с крупным зерном до температуры 724-910⁰С и последующим медленным охлаждением происходит размельчение зерна.

Нормализация заключается в охлаждении стали от температуры 710-723⁰С на воздухе. Строительная сталь после нормализации обладает большей прочностью и ударной вязкостью, чем при медленном охлаждении. Это объясняется тем, что по границам зерен феррита не образуются сетки из хрупкого цементита.

           Цементация заключается в насыщении поверхностного слоя стали углеродом и последующей закалке. Цементацию применяют для повышения твердости поверхности инструментов и деталей, к которым предъявляют высокие требования по ударной вязкости. Наиболее современный способ цементации – газовая цементация – предусматривает нагрев детали в смеси газа метана СН₄ и окиси углерода СО. При нагреве из окиси углерода и метана выделяется углерод, который проникает в поверхностный слой детали на глубину 1-2см. Содержание углерода в поверхностных слоях стали достигает 0,8-1,2%, а основная часть деталей будет содержать углерод менее 0,25%. Закаляя затем деталь, в поверхностных слоях ее получают структуру закаленной стали, а внутренние слои со структурой мягкой стали закалки не принимают. Таким образом, деталь будет иметь поверхность с повышенной твердостью и в то же время за счет высокой пластичности основного металла хорошо воспринимать ударные нагрузки.

Старение проявляется в изменении ее свойств во времени без заметного изменения микроструктуры. Повышаются прочность, порога хладноломкости, снижается пластичность и ударная вязкость. Различают два вида старения – термическое и деформационное.

Первое протекает в результате изменения растворимости углерода и азота в зависимости от температуры.

Второе протекает после пластической деформации при температуре ниже порога рекристаллизации.