Строение слитка спокойной стали

Схема строения слитка спокойной стали приведена на рис. 2.15. Структура слитка состоит из трех зон: наружной мелкозернистой зоны 1, зоны столбчатых кристаллов 2 и зоны равноосных кристаллов 3. Наружная мелкозернистая зона состоит из неориентирован­ных в пространстве мелких кри­сталлов. Ее образование обуслов­лено резким перепадом темпе­ратур: жидкий металл — холод­ные стенки изложницы. Металл в этой зоне сильно переохлаж­дается, в нем образуется боль­шое число центров кристалли­зации, и он приобретает мелко­зернистое строение.

Усадочная раковина

Рис. 2.15. Строение слитка спокой­ной стали с характерными зонами I — III

После образования корковой зоны условия теплоотвода меня­ются, температурный градиент в прилегающем слое жидкого ме­талла падает и снижается степень переохлаждения. В результате из сравнительно небольшого числа центров кристаллизации в на­правлении отвода теплоты, т.е. перпендикулярно стенке изложни­цы, начинают расти столбчатые кристаллы, образующие вторую зону. Развитие их в стороны сдерживается соседними дендритами.

Третья зона — зона равноосных кристаллов. В центре слитка нет определенной направленности отвода теплоты. Здесь зародышами обычно являются различные мелкие твердые частицы, оттесненные при кристаллизации к центру слитка. Относительное распределение в объеме слитка столбчатой и равноосной зон очень важно. В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, но в местах их стыка он имеет малую прочность. Кристаллизация, при которой зоны стол­бчатых кристаллов стыкуются, называется транскристаллизацией.

Для цветных металлов транскристаллизация полезна, так как металл становится плотнее и при его высокой пластичности тре­щины при деформации не образуются. Транскристаллизация стали нежелательна, поскольку на стыке двух кристаллов при деформа­ции могут образоваться трещины.

Основными дефектами слитка являются усадочная раковина, усадочная пористость и ликвация. Усадочная пористость обычно образуется вблизи усадочной раковины и по оси слитка. Образова­ние усадочной раковины и усадочной пористости обусловлено тем, что все металлы кроме висмута имеют в твердом состоянии мень­ший удельный объем, чем в жидком.

Вопросы для контроля

1. Перечислить основные свойства металлов и объяснить их с помощью электронного строения металлов.

2. Какое строение имеют металлы и чем отличаются кристаллические вещества от аморфных.

3. Дать определение кристаллической решетки и кристаллической ячейке и назвать типы кристаллических решеток.

4. Дать определение полиморфизма.

5. Дать объяснение анизотропии кристаллов.

6. Что называется степенью переохлаждения и как она зависит от скорости охлаждения при кристаллизации металлов.

7. Дать определение модифицирования и цель его проведения.

Раздел 2. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Задачей материаловедения является установление взаимосвязи между строением (структурой) материала и его свойствами. Поэтому при исследовании используют как методы для изучения строения материала, так и методы, которые позволяют определять поведение материалов в условиях эксплуатации — это механические, а также физические и химические свойства.

Физические свойства определяют поведение материалов в теп­ловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных по­лях. К физическим свойствам относятся плотность, теплоемкость, температура плавления, термическое расширение, магнитные ха­рактеристики, теплопроводность, электропроводность.

Под химическими свойствами понимают способность материа­лов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Характерным примером химического взаимо­действия среды и металла является коррозия.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность подвергаться горячей и холодной обработке, в том числе при выплавке, горячем и холодном деформировании, обра­ботке резанием, термической обработке и особенно сварке.

Механические свой­ства материалов характеризуют их способность сопротивляться де­формированию и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. Механические нагрузки могут быть статическими, дина­мическими и циклическими. Кроме того, материалы могут под­вергаться деформации и разрушению как при разных температу­рах, так и в различных, в том числе агрессивных, средах.

Целесообразность применения тех или иных материалов опре­деляется не только их свойствами, но и их стоимостью.

2.1. Упругая и пластическая деформация

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений. Деформация, возникающая при срав­нительно небольших напряжениях и исчезающая после снятия нагрузки, называется упругой, а сохраняющаяся — остаточной или пластической. При увеличении напряжений деформация может за­канчиваться разрушением.

На диаграмме растяжения (рис. 2.16) упругая деформация ха­рактеризуется линией OA. Выше точки А нарушается пропорцио­нальность между напряжением σ и деформацией δ. Рост напряжения приводит не только к упругой, но и к пластической деформации.

Упругая и пластическая деформации в своей физической осно­ве принципиально отличаются одна от другой. При упругой де­формации происходит обратимое смещение атомов из положений равновесия в кристаллической решетке. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла. После снятия нагрузки сместившиеся атомы под действи­ем сил притяжения (при растяжении) или отталкивания (при сжа­тии) возвращаются в исходное равновесное положение, и кри­сталлы приобретают первона­чальную форму и размеры. Уп­ругие свойства материалов опре­деляются силами межатомного взаимодействия.

В основе пластической дефор­мации лежит необратимое пере­мещение одних частей кристал­ла относительно других. После снятия нагрузки исчезает лишь упругая составляющая деформа­ции. Пластичность, т.е. способ­ность металлов перед разрушени­ем претерпевать значительную пластическую деформацию, яв­ляется одним из важнейших свойств металлов. Благодаря плаcтичности осуществляется ОМД. Пластичность позволяет перерас­пределять локальные напряжения равномерно по всему объему ме­талла, что уменьшает опасность разрушения.

Величина напряжения, необходимого для осуществления плас­тической деформации, зависит от скорости деформирования и температуры. С увеличением скорости деформирования достиже­ние заданной деформации требует больших напряжений, а при повышении температуры значение необходимых напряжений сни­жается. Таким образом, пластическая деформация является терми­чески активируемым процессом. При понижении температуры пре­дел текучести большинства металлов растет. Металлы с ГЦК ре­шеткой имеют значительно меньшую зависимость предела текуче­сти от температуры, чем металлы с другими типами решеток.

2.2. Механические свойства и методы их определения

Механические свойства материалов определяют на специальных образцах. В зависимости от условий приложения нагрузки различа­ют статические и динамические испытания. При статических испы­таниях нагрузка прилагается медленно и плавно возрастает. При динамических — она прилагается с высокой скоростью. Испытания могут выполняться при нормальной (комнатной) или повышенной температуре.

Наиболее распространенными механическими характеристика­ми являются: твердость, пределы прочности и упругости, ударная вязкость. Определяют также предел выносливости и предел ползучести.

Предел прочности определяют в испытаниях на растяжение, сжатие, кручение и изгиб.

Механическими называют свойства материала, определяющие его сопротив­ление действию внешних механических нагрузок.

Прочность металла при статическом нагружении - это свойство, опре­деляющее его способность сопротивляться деформации и разрушению. Стан­дартными характеристиками прочности являются предел упругости, предел теку­чести и временное сопротивление.

Пределом упругости называют напряжение, при котором пласти­ческая деформация достигает заданной малой величины, установленной усло­виями (например 0,005 % - σ_0,005).

Предел текучести (условный) - это напряжение, которому соответ­ствует пластическая деформация 0,2 % (σ_0,2). Предел текучести физический уста­навливают по диаграмме растяжения, если на ней есть площадка текучести.

Временное сопротивление (σ_в) характеризует максимальное на­пряжение, предшествующее разрушению образца. Различают напряжения услов­ные и истинные. Условным напряжением называют отношение величины нагруз­ки к исходному сечению образца; истинным - к сечению, которое образец приоб­рел к моменту достижения данной нагрузки. Диаграммы растяжения пластичных металлов с условными напряжениями отличаются от диаграмм с истинными на­пряжениями.

Конструктивную прочность материала характеризует комплекс механиче­ских свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях экс­плуатации. Конструктивная прочность определяется критериями прочности, на­дежности и долговечности.

Твердость характеризует свойство поверхностного слоя материала оказы­вать сопротивление упругой и пластической деформации при местных контакт­ных воздействиях.

Удельные механические свойства (удельная прочность, удельная жесткость) характеризуют эффективность материалов по массе и представляют собой отно­шение соответствующих характеристик материала к его плотности.

Жаропрочные материалы характеризуются длительной прочностью и пол­зучестью. Под пределом длительной прочности понимают напряжение, вызы­вающее разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную скорость деформации при заданной температуре.

Надежностью называют способность материала противостоять хрупкому разрушению. Важными критериями надежности являются пластичность (относи­тельное удлинение - δ, относительное сужение - ψ), вязкость разрушения (К_1с), ударная вязкость (КCU, КCV, KCY), хладноломкость.

δ и ψ характеризуют изменения геометрических параметров стандартных образцов при напряжении, вызывающем разрушение.

Кi_c показывает какой интенсивности достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения.

Ударная вязкость - это сопротивление разрушению при динамиче­ских нагрузках.

Хладноломкость определяет влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Порог хладноломкости характе­ризуется температурой или интервалом температур перехода металла в хрупкое состояние. Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в изломе можно видеть форму и размер зерен, так как излом происходит без значительной пластической деформации и зерна при разрушении металла не искажаются.

Долговечностью называют способность материала детали сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая ее работоспособность в течение заданного времени.

Одним из критериев долговечности является выносливость, под которой понимают способность материала сопротивляться усталости, или постепенному накоплению повреждений под действием циклически повторяющихся нагрузок. Выносливость зависит от живучести, определяющей продолжительность работы детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости (размером 0,5... 1,0 мм) до разрушения. Усталостный излом всегда имеет две зоны разрушения: усталостную зону предварительного разрушения с мелкозер­нистым, часто ступенчато-слоистым строением, иногда с отдельными участками блестящей поверхности, и зону долома, носящую характер вязкого или хрупкого разрушения.

При циклическом нагружении разрушение начинается в местах концентра­ции напряжений (деформации), локализующихся на различного рода поврежде­ниях поверхностного слоя. Поверхностное упрочнение (химико-термическая об­работка, поверхностная закалка, пластическое деформирование) эффективно снижает роль концентраторов, затрудняя деформацию поверхности деталей.

2.3. Методы изучения структуры

Макроскопический анализ (макроанализ) заключается в изучении строения металла невооруженным глазом или при небольших увеличениях (до 30 раз). Это позволяет одновременно наблюдать большую поверхность изделия (в отличие от микроанализа, выполняемого при больших увеличениях).

Макроанализ не позволяет определить всех особенностей строения. Его часто используют в качестве предварительного с целью выявить те участки детали, которые следует подробно изучать с помощью более тонких методов.

Наиболее типичные задачи макроанализа — это изучение:

- видов излома (различают вязкий, хрупкий и другие виды изломов)

- нарушения сплошности металла (наличие трещин, дефектов сварки, пористость и др.);

- строения слитка;

- текстурированной (направленной структуры металла, что позволяет судить о технологии изготовления детали (сварная, штампованная, полученная обработкой резанием)

ликвации, т. е. химической неоднородности металла.

Микроскопический анализ (микроанализ) выполняется при боль­ших увеличениях с помощью металлографического микроскопа (рис. 3.2). Металлы непрозрачны, поэтому изучение структуры вы­полняется в отраженном свете. Исследования выполняются на спе­циальном объекте — микрошлифе. Исследуемая поверхность мик­рошлифа должна иметь очень малую шероховатость — быть зеркальной, чтобы получалось правильное отражение. Для изготов­ления микрошлифа на объекте исследования должна быть обрабо­тана плоская поверхность. Ее образуют непосредственно на деталях малых размеров, а из больших деталей вырезается специальный об­разец. Зеркальной поверхности добиваются путем обработки абра­зивной шкуркой нескольких номеров, переходя от более грубой к более тонкой, и последующим полированием абразивными или ал­мазными пастами.

Для выявления структуры применяют травление шлифа раство­рами кислот или щелочей. При этом выявляется зерно сплавов. Это объясняется тем, что на поверхность шлифа зерна выходят разными металлографическими направлениями и, вследствие анизотропии (неодинаковость свойств в разных направлениях) травятся на разную глубину и выглядят неодинаково окрашенными в поле зрения микроскопа — травящиеся сильнее кажутся более темными. Выявляются разные фазы сплава, так как их свойства также неодинаковы и травление происходит на разную глубину. В поле зрения микроскопа наиболее темными выглядят границы зерен, так как они травятся наиболее сильно из-за скопления несовершенств пo границам, поэтому отражение от границ рассеивается, и не по­падает в окуляр микроскопа и глаз наблюдателя (рис. 3.3). Оптические микроскопы позволяют получить увеличение до 1500 раз, что связано с длиной световой волны.

Вопросы для контроля

1. Какие задачи решает макроанализ.

2. Какие задачи решает микроанализ.

3. Какие характеристики металлов определяются при механических испытаниях.

Раздел 3. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

Чистые металлы во многих случаях не обеспечивают требуемых свойств, поэтому они применяются сравнительно редко. Более ши­роко используются металлические сплавы. Их получают сплавлени­ем или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами. Простые вещества, образующие сплав, называются компонентами сплава. Компоненты сплава образуют фазы. Фазой называют однородные части сплава, имеющие одинаковые состав, агрегатное состояние, кристаллическое строение, свойства и отде­ленные от других частей сплава поверхностями раздела. Под струк­турой понимают форму, размеры и характер взаимного расположе­ния фаз в сплавах.

3.1. Типы сплавов

В процессе кристаллизации сплава могут образовываться сле­дующие типы сплавов: твердые растворы, химические соединения и смеси.

Твердые растворы. Сплавы типа твердый раствор характеризуют­ся тем, что при их образовании один компонент (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой (растворимый) — отдает свои атомы в кристаллическую решетку растворителя. Обра­зуется одна кристаллическая решетка, одна фаза. По механизму об­разования различают твердые растворы замещения и твердые рас­творы внедрения (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема твердых растворов замещения (а) и внедрения (б)

При образовании твердых растворов замещения атомы раство­римого компонента В замещают атомы растворителя А в его кри­сталлической решетке. По взаимной растворимости компонентов. различают твердые растворы замещения с неограниченной и с ограниченной растворимостью компонентов. В твердых растворах с неограниченной растворимостью компонентов возможна любая концентрация растворимого компонента (вплоть до 100 %). Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью образуются при следующих условиях:

-кристаллические решетки компонентов должны быть одного типа;

- различие атомных радиусов компонентов не должно превышать 8-15 %;

-компоненты должны принадлежать одной или смежным родственным группам периодической системы элементов и иметь одинаковое строение валентной оболочки электронов в атомах;

-расположение атомов в кристаллической решетке не упорядоченно.

Для образования твердых растворов замещения с ограниченной растворимостью необходимы те же условия, с той разницей, что наличие атомных радиусов может быть несколько большим. Такие твердые растворы образуют металлы, расположенные рядом в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. При образовании твердых растворов внедрения атомы растворимого компонента В размещаются между атомами компонента растворителя А в его кристаллической решетке. Твердые растворы внедрения образуются только в тех случаях, если диаметр атома растворимого компонента невелик, такие твердые растворы возникают между металлами и элементами 1 и II периодов периодической системы элементов, имеющими малые атомные размеры (Н, N, С, В). Твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита: α, β, γ и т. д. или А(В), где А — растворитель, В — растворимый компонент.

Твердые растворы наиболее близки по свойствам к металлу растворителю. Они, как правило, пластичны, хорошо деформируются в холодном и в горячем состояниях.

Химические соединения. Для них характерно следующее:

-кристаллическая решетка химического соединения отлична от кристаллических решеток образующих его компонентов;

-свойства химического соединения резко отличаются от свойств компонентов, которые его образовали;

- атомы в кристаллической решетке химического соединения расположены упорядоченно, т. е. атомы каждого компонента рас­положены закономерно и по определенным узлам кристаллической решетки;

-состав химического соединения можно описать стехиометрической формулой АmВn где n и m — взаимно простые целые числа;

-химическое соединение характеризуется постоянной темпера­турой плавления;

-химические соединения имеют высокую твердость и хруп­кость.

Химические соединения образуют вещества, имеющие большие отличия в электронном строении атомов и кристаллических реше­ток. Соединения типа «металл — металл» называются интерметаллидами. Соединения типа «металл — неметалл» имеют разные на­звания в зависимости от неметаллического материала: нитрид (металл — азот), карбид (металл — углерод), оксид (металл — ки­слород) и т. д. Интерметаллиды характеризуются металлическим типом связи, а соединения металлов с неметаллами — ионным.

Смеси. Такой тип соединения образуют компоненты, которые не растворяются друг в друге в твердом состоянии, а также не спо­собны к химическому взаимодействию с образованием соединения. В сплавах типа «смесь» каждый компонент сохраняет свою кристал­лическую решетку. Структура смеси гетерогенная (неоднородная), состоит из нескольких фаз (число фаз соответствует числу кристал­лических решеток). Механические свойства смесей зависят от коли­чественного соотношения компонентов, а также от размеров и фор­мы фаз.

3.2. Диаграммы состояния сплавов

Диаграммы состояния представляют собой графическое изобра­жение фазового состояния сплавов данной системы в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы состоя­ния строят при условии равновесия системы. Равновесное состоя­ние соответствует минимальному значению свободной энергии сис­темы. Такое состояние может быть достигнуто при малых скоростях охлаждения или нагрева. Поэтому с помощью диаграмм состояния сплавов можно исследовать фазовые и структурные превращения, происходящие в сплавах при медленном нагреве или охлаждении.

Правило фаз. Состояние сплава зависит от внешних условий (температуры, давления) и характеризуется числом и химическим составом образовавшихся фаз. Возможность изменения внешних условий (температуры, давления, концентрации) без изменения числа фаз, находящихся в равновесии, называется вариантностью или числом степеней свободы системы. Правило фаз определяет взаимосвязь между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз, находящихся в равновесии:

С = К + 2 — Ф,

Где, С — число степеней свободы; К — число компонентов; Ф — число фаз, находящихся в равновесии; 2 — число внешних факторов (температура, давление).

В металлических сплавах давление мало влияет на фазовое равновесие, поэтому приведенное уравнение принимает следующий вид:

С = К + 1 - ф.

Поскольку С не может быть отрицательным или дробным числом, то

К + 1 - Ф > 0,

Т.е. число фаз, находящихся в равновесии не может превышать число компонентов больше, чем на 1. Поэтому в двухкомпонентных сплавах в равновесии может находиться не более трех фаз. Если С = 0, это означает, что в равновесии находится максимальное число фаз (для двухкомпонентной системы — 3). При этом должны соблюдаться определенные условия — температура и концентрация компонентов не должны изменяться. Диаграммы состояния сплавов строят в координатах «температура — концентрация компонентов». Температуру откладывают по оси ординат, а концентрацию компонентов — по оси абсцисс. Общее содержание компонентов в сплаве равно 100 %, каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию обоих компонентов. Для построения диаграмм состояния сплавов используют метод термического анализа. Он заключается в экспериментальном построении кривых охлаждения сплавов известного состава. По остановкам и перегибам на этих кривых, обусловленных тепловыми эффектами превращений, определяют температуры самих превращений. Точки перегиба или остановки на кривых охлаждения называются критическими точками и соответствуют температурам, при которых в сплавах начинают протекать или заканчиваться какие-либо превращения.

Поскольку в зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойными (двухкомпонентными), тройными (трехкомпонентными) и т.д., соответственно диаграммы состояния строят в си­стеме двух координат — температура и концентрация (диаграммы состояния двойных сплавов), трех координат — температура и две оси концентрации (диаграммы состояния тройных сплавов). Для более сложных систем обычно строят пространственные диаграм­мы с некоторым упрощением либо сечения этих диаграмм по тем­пературной или концентрационной оси.

В двойных сплавах по вертикали диаграммы состояния отклады­вают температуру, а по горизонтали — концентрацию компонен­тов. Каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию одного и другого компонента с учетом того, что об­щее содержание компонентов в каждой точке этой оси соответ­ствует 100 %. Поэтому по мере увеличения количества одного ком­понента сплава должно снижаться содержание в сплаве другого компонента.

Вид диаграммы состояния определяется характером взаимодей­ствий, которые имеют место между компонентами сплавов в жид­ком и твердом состоянии. Во всех рассматриваемых далее случаях предполагается, что между компонентами сплава в жидком состо­янии существует неограниченная растворимость, т.е. они образу­ют однородный жидкий раствор, обозначаемый буквой Ж. В твер­дом состоянии компоненты могут образовывать механические смеси из чистых компонентов, неограниченные твердые растворы, огра­ниченные твердые растворы, устойчивые химические соединения, неустойчивые химические соединения, а также испытывать поли­морфные превращения.

Основные типы диаграмм состояния. Диаграмма состояния спла­вов, образующих механические смеси из чистых компонентов (I poдa). Исходные данные: оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, а в твердом состоянии нерастворимы и не об­разуют химических соединений. Компоненты: химические элемен­ты А, В (число компонентов К = 2). Фазы: жидкость Ж, кристаллы А, В (число фаз Ф = 3).

Примером диаграмм этого типа является диаграмма состояния сплавов системы Pb— Sb. Диаграмма Pb — Sb строится на основе использования кривых охлаждения, полученных методом терми­ческого анализа (рис. 3.11)

Система сплавов Pb —Sb включает в себя составы со 100 % Pb и 0 % Sb, т.е. чистый свинец, и со 100 % Sb и 0 % Pb, т.е. чистую сурьму. Кривые охлаждения для этих чис­тых металлов имеют по одному горизонтальному участку, характе­ризующему температуру кристаллизации: соответственно для свинца 327° С, для сурьмы 631 °С. Сплав, содержащий 13% Sb и 87% Pb имеет один горизонтальный участок, т.е. одну критическую точку(246^о С) - температуру затвердевания этого сплава. Этот сплав характеризуется тем. Что в нем происходит одновременная кристаллизация из жидкой фазы кристаллов Pb и Sb(в общем случае компонентов Аи В) с образованием механической смеси. Такая механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой и обозначается буквой Э, сам сплав называется эвтектическим. Эвтектическую реакцию записывают так: Ж → Sb + Pb, или в общем виде: Ж→ А + В.

Линия, ограничивающая на диаграмме область жидкой фазы сплавов, называется линией ликвидус. Линия, ограничивающая об­ласть полностью затвердевшего сплава от остальной области на диаграмме состояний, называется линией солидус.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (2 рода). Исходные данные: оба компонента неограниченно растворимы в твердом и жидком состоянии и не образуют химических соединений. Компоненты: химические элементы А, В (К = 2). Фазы: жидкость Ж, кристаллы твердого раствора α (Ф = 2).

Примером сплавов с такими диаграммами состояния являются сплавы системы Си — Ni. Если два компонента (А и В) неограни­ченно растворяются в жидком и твердом состоянии, они не могут при затвердевании образовывать собственных кристаллов во всех сплавах на основе этих компонентов. Соответственно при кристал­лизации в этих сплавах будут выделяться кристаллы твердого раствора α (α-твердого раствора), а следовательно, максимальное число фаз в этих сплавах равняется двум (жидкость и твердый раствор α). В этом случае в соответствии с правилом фаз кристаллизация всех сплавов будет протекать только в интервале температур (кристаллизация при постоянной температуре у сплавов возможна только ж наличии трех фаз) и, соответственно, на диаграмме состояния отсутствует горизонтальная линия, а присутствуют только на­клонные кривые (рис.3.12).

На диаграмме присутствуют три области: область выше линии Аа^|В — жидкость; область между линиями Аа'В и Аb'В — жидкость и твердый раствор; ниже линии Ab^’B- область твердого раствора. Линия Аа^|B является линией ликвидус, а линия Аb^|В – линией солидус.

Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединение(IV рода). Исходные данные: оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом состоянии, но образуют химические соединения. Компоненты: химические элементы А и В (К = 2). Фазы: жидкость Ж, кристаллы компонентов А, В или химического соединения А nВm (Ф = 3). Химическое соединение может быть устойчивым, т.е. до расплавления сплава не разлагаться при нагреве. Соответственно неустойчивое химическое соединение при нагреве разлагается. Рассмотрим диаграмму состояния с устойчивым химическим соединением. Такая диаграмма изображена на рис. 3.15. Примером диаграмм этого типа является диаграмма состояния сплавов системы Mg —Са. Химическое соединение (например, А_nB_m) характеризуется определенным соотношением компонентов (например, n % компонента Аи т % компонента В). На оси концентрации компонентов (ось абсцисс) химическое соединение обозначает точку, из которой выходит вертикальная линия, фактически разбивающая диаграмму на две простые диаграммы, в которых химическое соединение выступает уже в качестве самостоятельного компонента и, соответственно, образует эвтектики с компонентом А по реакции Ж →А +АnВm (простая диаграмма I) и с компонентом В по реакции Ж → В + А_пВ_т (простая диаграмма II). Кристаллизация сплавов в пределах простых диаграмм I и II происходит аналогично кристаллизации сплавов, образующих эвтектику из чистых компонентов (диаграмма I рода). Поэтому после окончательного остывания у эвтектического сплава на простой диаграмме I структура будет состоять только из эвтектики Э (А + А_пВ_т),у эвтектического сплава на простой диаграмме II — из эвтектики Э (В + AnB_m); у доэвтектических сплавов соответственно на простой диаграмме I и на простой диаграмме II структура будет иметь вид: А + Э (А + А_пВ_т) и А_пВ_т + Э (В + A„B_m); у заэвтектических сплавов на простой диаграмме I — АnВ_m + Э (А + АnВ_m) и у заэвтектических сплавов на простой диаграмме II — В + Э (В + АnВ_m).

3.3. Зависимость между свойствами сплавов и типом диаграммы со­стояния

Правило Н. С. Курнакова уста­навливает связь между типом диаграммы состояния и характером изменения физико-механических свойств сплавов в зависимости от содержания в них компонентов. Схематично эти зависимости пред­ставлены на рис. 4.13.

При образовании смесей значения твердости, прочности, элек­тропроводности и некоторых других свойств изменяются прямоли­нейно в зависимости от концентрации компонентов.

При образовании твердых растворов свойства сплавов изменя­ются по криволинейной зависимости. Образование твердых раство­ров всегда сопровождается увеличением удельного электрического сопротивления, у сплавов оно всегда выше, чем у компонентов, образующих этот сплав.

При образовании химического соединения на кривой изменения свойств наблюдается перелом при концентрации компонентов, соответствующей химическому соединению, поскольку его свойства резко отличаются от свойств компонентов.

Вопросы для контроля

1.Дать определение компонента, фазы, структуры.

2. Перечислить типы сплавов, охарактеризовать каждый тип.

3.Какую информацию о сплавах дают диаграммы состояния? Как их строят?

4.Дать определение ликвации, виды ликвации и причина их появления.

5.Охарактеризовать зависимость между типом диаграммы состояния и свойствами сплавов.

Раздел 4. СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА И УГЛЕРОДА. СТАЛИ И ЧУГУНЫ.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ «ЖЕЛЕЗО—ЦЕМЕНТИТ»

Сплавы железа широко используются в современной технике. Наибольшее применение нашли сплавы железа с углеродом - ста­ли и чугуны. Объем их производства более чем в 10 раз превышает производство всех других металлов вместе взятых.

4.1. Железоуглеродистые сплавы (структурный и фазовый составы)

К железоуглеродистым относятся сплавы, основными компонентами кото­рых являются железо и углерод. Железо обладает температурным полиморфиз­мом и может существовать в двух аллотропических модификациях: в виде α-железа с ОЦК и γ-железа с ГЦК кристаллическими решетками. С углеродом железо образует твердые растворы и химическое соединение.

Твердый раствор внедрения углерода в α-железе называется ферритом. Растворимость углерода в нем очень мала (максимум 0,02 % при температуре 727 °С). Феррит обладает низкой твердостью и высокой пластичностью.

Твердый раствор внедрения углерода в γ-железе называется аустенитом. Мак­симум растворимости углерода в аустените 2,14 % (при температуре 1147 °С). В рав­новесном состоянии аустенит существует лишь выше 727 °С. Он обладает высо­кой пластичностью и низкой твердостью.

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe₃C, называемое це­ментитом. Цементит очень тверд и хрупок.

Железоуглеродистые сплавы с концентрацией углерода, не превышающей 2,14 %, называют сталями, с более высокой - чугунами. По равновесной структуре стали в зависимости от содержания углерода подраз­деляют на техническое железо (С < 0,02 %), доэвтектоидные (0,02 < С < 0,8 %), эвтектоидные (С = 0,8 %) и заэвтектоидные стали (0,8 < С < 2,14 %).

В структуре технического железа присутствуют феррит и третичный цемен­тит, выделяющийся при охлаждении сплава ниже 727 ° С из феррита.

Структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. Перлит -это эвтектоид - механическая смесь феррита и цементита, образующаяся в резуль­тате эвтектоидной реакции из аустенита при охлаждении сплавов ниже 727 ° С (ли­нии PSK диаграммы Fe-Fe₃C). Перлит содержит 0,8 % углерода. По относитель­ному количеству перлита можно судить о содержании углерода в сплаве. Для этого достаточно перемножить долю видимой на микрошлифе площади, занятой перлитом, на 0,8.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода. Структура ее полностью со­стоит из перлита.

В структуре заэвтектоидной стали содержатся перлит и вторичный цементит, выделяющийся при охлаждении сплава в интервале температур 1147... 727 ° С из аустенита в соответствии с линией предельной растворимости SE диаграммы Fe-Fe₃C.

Чугуны в системе Fe-Fe₃C называют белыми. Эти сплавы содержат углерод исключительно в химически связанном состоянии в виде Fe₃C. Кристаллизация белых чугунов завершается эвтектическим превращением при температуре ниже 1147 ° С (линия ECF диаграммы Fe-Fe₃C) с образованием эвтектики, называемой ледебуритом и представляющей собой механическую смесь аустенита и цементита. При охлаждении ниже 727 ° С аустенит претерпева­ет эвтектоидное превращение и ледебурит становится смесью перлита и цементита.

По равновесной структуре белые чугуны подразделяют на доэвтектичекие, эвтектические и заэвтектические.

Содержание углерода в доэвтектическом чугуне может находиться в преде­лах 2,14... 4,3 %. Структура его состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита.

Эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода. Структура его состоит пол­ностью из ледебурита.

В заэвтектическом чугуне содержится более 4,3 % углерода (до 6,67 %). Его структура состоит из первичного цементита, выделившегося из жидкости, и леде­бурита.

Структуры феррита и аустенита приведены на рис. 6.2. Таким образом, в сплавах «железо—углерод» в твердом агрегат­ном состоянии существуют следующие фазы: феррит (Ф), аустенит А) и цементит (Ц). Они являются структурными составляющими, которые образуют различные смеси, в том числе характерные, имеющие постоянный химический состав, постоянную температуру образования и характерное строение. К их числу относятся эвтектика и эвтектоид.

Рис. 6.2. Структура феррита (а) и аустенита б, выявленного при 1000 °С в вакуумной

камере (б), х 250

Диаграмма состояния системы железо-цементит.

4.2. Углеродистые стали

Общая характеристика. Сплавы железа с углеродом, содержа­щие до 2,14 % углерода (точка Е, см. рис. 4.3) при малом содержа­нии других элементов, называют углеродистыми сталями. Углеро­дистые стали завершают кристаллизацию образованием аустенита. В их структуре нет эвтектики (ледебурита), благодаря чему они обладают высокой пластичностью, особенно при нагреве, и хоро­шо деформируются.

Углеродистые стали выплавляют в электропечах, мартеновских печах и кислородных конвертерах. Наилучшими свойствами обла­дает электросталь, более чистая по содержанию вредных приме­сей — серы и фосфора, а также газов и неметаллических включе­ний. Электросталь используют для изготовления наиболее ответ­ственных деталей.

По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали. При одинаковом содержании углерода кипящие, полуспокойные и спокойные стали имеют близкие величины проч­ностных свойств и различаются значениями характеристик плас­тичности. Содержание кремния в спокойной стали составляет 0,15...0,35 %, в полуспокойной — 0,05...0,15, в кипящей — до 0,05 %.

Для раскисления кипящей стали кремний и алюминий не при­меняют, ее раскисляют марганцем. Кипящая сталь имеет резко выраженную химическую неоднородность в слитке. Ее основным достоинством является, высокий (более 95 %) выход годного ме­талла. Благодаря низкому содержанию кремния и углерода кипя­щие стали хорошо штампуются в холодном состоянии. Из-за по­вышенной концентрации кислорода кипящие стали имеют срав­нительно высокий порог хладноломкости, их не рекомендуют при­менять для изделий северного исполнения. У полуспокойной ста­ли, раскисляемой марганцем и в ковше алюминием, выход годно­го металла составляет 90...95 %.

Спокойная сталь раскисляется кремнием, марганцем и алюми­нием. Выход годного металла слитков спокойной стали примерно 85 %, но металл значительно более плотен и имеет более однород­ный химический состав.

Свойства углеродистых сталей зависят от содержания основно­го элемента — углерода, а также от содержания постоянных и скры­тых примесей.

Влияние углерода на свойства стали. Углерод является важней­шим элементом, определяющим структуру и свойства углеродис­той стали. Даже малое изменение содержания углерода оказывает заметное влияние на свойства стали. С увеличением углерода в струк­туре стали растет содержание цементита. При содержании до 0,8 % углерода сталь состоит из феррита и перлита, при содержании бо­лее 0,8 % углерода в структуре стали кроме перлита появляется структурно-свободный вторичный цементит.

Феррит имеет низкую прочность, но сравнительно пластичен. Цементит характеризуется высокой твердостью, но хрупок. Поэто­му с ростом содержания углерода увеличиваются твердость и проч­ность и уменьшаются вязкость и пластичность стали (рис. 4.9).

Рост прочности происходит при содержании в стали до 0,8... 1 % углерода. При увеличении содержания углерода более 1 % умень­шается не только пластичность, но и прочность стали. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зе­рен, легко разрушающейся при нагружении. По этой причине заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу, в результа­те которого получают структуру зернистого перлита.

Углерод оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и ре­занием. С увеличением содержания углерода ухудшается сваривае­мость, способность деформироваться в горячем и особенно в хо­лодном состоянии.

Лучше всего обрабатываются резанием среднеуглеродистые ста­ли, содержащие 0,3... 0,4 % углерода. Низкоуглеродистые стали при механической обработке дают плохую поверхность и трудноудаляемую стружку. Высокоуглеродистые стали имеют повышенную твер­дость, что снижает стойкость инструмента.

Влияние примесей на свойства стали. Постоянными примесями в углеродистых сталях являются марганец, кремний, сера, фос­фор, а скрытыми — газы: кислород, азот, водород. Полезными примесями являются марганец и кремний. Их вводят в сталь в про­цессе выплавки для раскисления:

FeO + Mn = MnO + Fe; 2FeO + Si = Si0₂ + 2Fe

В углеродистой стали содержится до 0,8 % марганца. Марганец помимо раскисления в таком количестве полностью растворяется в феррите и упрочняет его, увеличивает прокаливаемость стали, а также уменьшает вредное влияние серы, связывая ее:

FeS + Mn = MnS + Fe

В полностью раскисленной углеродистой стали содержится до 0,4% кремния. Кремний является полезной примесью, так как эффективно раскисляет сталь и, полностью растворяясь в ферри­те, способствует его упрочнению.

Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основ­ной источник серы в стали — исходное сырье (чугун). Сера снижа­ет пластичность и вязкость стали, а также сообщает стали красно­ломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали. С желе­зом сера образует сульфид железа FeS, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца благодаря высокой лик­вации серы в стали может образовываться легкоплавкая эвтектика Fe—FeS (Т_пл= 988 °С). Эвтектика располагается по границам зерен.

При нагреве стальных заготовок до температуры горячей деформа­ции включения эвтектики сообщают стали хрупкость, а при неко­торых условиях могут даже плавиться и при деформировании об­разовывать надрывы и трещины. Марганец устраняет краснолом­кость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления примерно 1620 ° С, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем сульфиды мар­ганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность ста­ли. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.

Повышенное (до 0,2%) содержание серы допускается лишь в автоматных сталях ддя изготовления крепежных деталей неответ­ственного назначения. Сера улучшает обрабатываемость стали.

Основной источник фосфора — руды, из которых выплавляют исходный чугун. Фосфор является вредной примесью, способной в количестве до 1,2 % растворяться в феррите. Фосфор, растворя­ясь в феррите, уменьшает его пластичность. Фосфор резко отлича­ется от железа по типу кристаллической решетки, диаметру ато­мов и их строению. Поэтому фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.

Скрытые примеси — кислород, азот, водород — присутствуют в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо в составе химических соединений (нитриды, оксиды), либо в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот малорастворимы в феррите, загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включе­ниями, что снижает вязкость и пластичность стали. Водород нахо­дится в твердом растворе и особенно сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода, особенно в хромистых и хромоникелевых сталях, приводит к образованию внутренних тре­щин — флокенов.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрица­тельное влияние на свойства, ухудшая пластические и вязкие ха­рактеристики стали. Поэтому вакуумирование является важной операцией для улучшения свойств стали.

Кроме того, в углеродистых сталях присутствуют такие случай­ные примеси, как хром, никель, медь, наличие которых обуслов­лено загрязненностью шихты.

Классификация углеродистых сталей. Углеродистые стали клас­сифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству.

По структуре различают доэвтектоидную сталь, содержащую до 0,8 % углерода, структура которой состоит из феррита и перли­та; эвтектоидную, содержащую примерно 0,8 % углерода, структу­ра которой состоит только из перлита; заэвтектоидную, содержа­щую 0,8...2,14 % углерода; ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита.

По способу производства различают стали, выплавляемые в элек­тропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным спо­собом.

По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.

По качеству различают стали обыкновенного качества и каче­ственные стали. Стали обыкновенного качества содержат не более 0,05 % серы и не более 0,04 % фосфора. Качественные стали содер­жат не более 0,04 % серы (в случае инструментальных сталей до 0,03 %) и не более 0,035 % фосфора, они менее загрязнены неме­таллическими включениями и газами.

В особо ответственных случаях применяют стали, содержащие менее 0,02 % серы и 0,03 % фосфора. Поэтому при одинаковом со­держании углерода качественные стали имеют более высокие пла­стичность и вязкость, особенно при низких температурах. Каче­ственные стали предпочтительнее для изготовления изделий, экс­плуатируемых при низких температурах, в частности в условиях Севера и Сибири.

Стали обыкновенного качества изготавливают по ГОСТ 380—94. Выплавка их обычно производится в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Обозначают их буквами Ст и цифрами от 0 до 6, например: СтО, Ст1, Ст6. Буквы Ст означают «сталь», цифры — условный номер марки стали в зависимости от ее хими­ческого состава. В конце обозначения марки ставят буквы кп, пс, сп, которые указывают на способ раскисления: кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная.

Химический состав стали должен соответствовать нормам. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше в ней содержание углерода. Содержание серы в стали всех марок, кроме СтО, должно быть не более 0,05%, фосфора — не более 0,04 %; в стали марки СтО серы — не более 0,06 %, фосфо­ра — не более 0,07 %.

Качественные углеродистые стали выплавляют в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах по ГОСТ 1050—88. Качественные стали поставляют по химическому составу и меха­ническим свойствам.

К качественным сталям предъявляют более жесткие требова­ния по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фос­фора не более 0,035 %). Для сталей марок 11кп и 18кп, применяе­мых для плакировки, содержание серы должно быть не более 0,035 %, фосфора не более 0,030 %.

Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 05, 10, 15, 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывают степень раскисления: кп, пс. Для спокойной стали степень раскисления не указывают.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали под­разделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% углерода), среднеуглеродистые (0,3...0,5% углерода) и высокоуглеродистые конст­рукционные (до 0,65 % углерода).

Для изделий ответственного назначения применяют высокока­чественные стали с еще более низким содержанием серы и фос­фора. Необходимость обеспечения низкого содержания вредных примесей в высококачественных сталях дополнительно повышает стоимость и усложняет их производство. Поэтому обычно высоко­качественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали.

При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А, например сталь У10А.

Углеродистые стали, содержащие 0,7... 1,3% углерода, исполь­зуют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их мар­кируют У7, У13, где буква У означает углеродистую сталь, а циф­ра — содержание углерода в десятых долях процента.

4.3. Чугуны

Железосодержащие сплавы - чугуны имеют более высокое содержание углерода, заканчива­ют кристаллизацию образованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластической деформации и высокими литейны­ми свойствами. Их технологические свойства обусловлены наличи­ем эвтектики в структуре. Стоимость чугунов ниже стоимости стали. Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные ш. Около 20 % всего выплавляемого чугуна используют для изготовления литья. В литейном чугуне обычно содержится не более 4 % углерода. Кроме углерода обязательно присутствуют примеси серы, фосфора, марганца и кремния, причем в значительно большем количестве, чем в углеродистой стали. В зависимости от формы выделения углерода различают следующие виды чугунов.

Чугуны со структурно свободным углеродом в зависимости от геометриче­ской формы графитных включений называют: серыми (графит пластинчатой формы), ковкими (графит хлопьевидной формы), высокопрочными (графит ша­ровидной формы). Металлическая основа чугунов может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. В ферритных чугунах (чугунах с ферритной ме­таллической основой) нет углерода, связанного в Fe₃C. В перлитных - 0,8 % уг­лерода связано в цементит. При одинаковой металлической основе механические свойства чугунов возрастают от серого к высокопрочному.

Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C. Чугун в изломе имеет белый цвет и характерный блеск.

Половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде цементита. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

Серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в связанном состоянии в виде цементита составляет не более 0,8 %.

Чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой - белого чугуна. Отбеленный слой получают в толстостенных массивных деталях при литье их в металлические формы. По мере удаления от поверхности вследствие уменьшения скорости охлаждения структура белого чугуна постепенно переходит в структуру серого. Чугун поверхностного слоя в микроструктуре содержит много твердого и хрупкого цементита, который хорошо сопротивляется изнашиванию. Поэтому чугуны с отбеленной поверхностью используют для деталей с высокой износостойкостью, для валков прокатных станов, мукомольных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, лемехов плугов с отбеленным носком и лезвием.

Серые чугуны получают при охлаждении отливок с обычными скоростями, характерными для песчаных форм. Маркируют серые чугуны буквами СЧ и числом, обозначающем временное сопротивление σ_в в кгс/мм² (в десятых долях МН/м²).

Ковкие чугуны, в которых углерод находится в виде хлопье­видного графита, получают из белых чугунов путем длительного графитизирующего отжига бе­лых чугунов. Маркируют ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, первое из которых - σ_в в кгс/мм², второе - относительное удлинение δ в %.

Высокопрочные чугуны, в которых графит имеет шаровид­ную форму, получают путем модифицирования жидкого сплава магнием или церием. Маркируют чугуны буквами ВЧ и числом, обозначающим σ _в кгс/мм².

Вопросы для контроля

1. Дать определение фаз, образующихся в системе «железо-цементит».

2. Назвать характерные структуры, образующиеся в железоуглеродистых сплавах, общие параметры и принципиальное различие.

3. Описать превращения, протекающие в сплавах, содержащих 0,3%С; 0,8%С; 1,0%С; 2,5%С; 4,3%С; 5,0%С.

4. Назвать принципиальное различие сталей и чугунов.

5. Назвать постоянные примеси в сталях. В чем заключается влияние вредных примесей и какова роль полезных примесей.

6. Привести классификацию сталей по структуре, назначению и качеству. По какому принципу и как маркируют стали?

7. Назвать и охарактеризовать виды чугунов в зависимости от состояния.

Раздел 5. ТЕОРИЯ ТЕРМООБРАБОТКИ. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

5.1. Термическая обработка стали

Термической называют обработку, связанную с нагревом и охлаждением металла с целью изменения его структуры и свойств.

Температурные режимы термообработки сталей связаны с диаграммой Fe-Fe₃ C. Равновесные температуры, отвечающие положению линий PSK, GS и SE диаграммы, обозначают А_1, A₃ и А_т соответственно. При нагреве неравновесные температуры превращений обозначают: перлита в аустенит -А_с1 превращений, связанных с получением однофазной аустенитной структуры, - А_с3 (для доэвтектоидных сталей), А_ст (для заэвтектоидных). При обычных скоростях нагрева не­равновесные температуры на 30... 50 °С выше соответствующих равновесных.

В зависимости от склонности аустенитного зерна при нагреве к росту раз­личают наследственно крупнозернистые (зерно склонно к росту) и наследствен­но мелкозернистые (зерно не склонно к росту) стали. Свойства стали, возникшие в результате той или иной обработки, определяются реально образовавшимся зерном - действительным зерном. Наследственная зернистость должна учиты­ваться при назначении режимов обработки, влияющей на размер получаемого действительного зерна, например, при закалке, отжиге.

Основными видами термической обработки сталей являются отжиг (первого и второго рода), закалка, отпуск.

Отжиг состоит в нагреве металла, выдержке и последующем медленном охлаждении (вместе с печью). Отжиг приближает металл к равновесию.

Отжиг первого рода проводят для получения более равновесной, чем исходная, структуры, не связывая эту цель с наличием или отсутствием фазо­вой перекристаллизации. Примерами отжига первого рода являются рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг.

При рекристаллизационном отжиге деформационно упрочненный металл нагревают несколько выше температурного порога рекристаллизации. В резуль­тате отжига материал приобретает такие же механические свойства, какие он имел до деформации.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг проводят при нагреве до высо­ких температур (применительно к сталям - значительно выше А_с3 или А_ст пред­полагающих интенсивную диффузию атомов. Такому отжигу подвергают, на­пример, отливки для устранения дендритной ликвации (гомогенизации сплава).

При отжиге второго рода непременно протекает, хотя бы час­тичная, фазовая перекристаллизация. К отжигу второго рода относятся неполный отжиг, полный отжиг.

При неполном отжиге нагрев ведут до температуры А_с] (ниже А_с3 или А_ст). Происходит частичная перекристаллизация сплава (меняется перлитная состав­ляющая). Чаще неполный отжиг применяют для заэвтектоидных сталей (сфероидизирующий отжиг).

При полном отжиге сталь нагревают до А_с3 или А_ст. Происходит полная пе­рекристаллизация сплава.

Закалка состоит в нагреве сплавов выше температур фазовых превращений и последующем быстром охлаждении, фиксирующем их высокотемпературное состояние (истинная закалка) или состояние, промежуточное между высокотем­пературным и равновесным, характерным для нормальной температуры.

Теоретическая возможность осуществления закалки определяется видом диаграммы состояния системы, которой принадлежит сплав. Необходимо, чтобы при нагреве он испытывал, хотя бы частичную, твердофазовую перекристаллиза­цию. Применительно к сталям нагрев при закалке обычно ведут до температуры А_с3 (доэвтектоидные стали) и А_с] (заэвтектоидные стали). Если нагрев ведется до темпера­тур А_с3 или А_ст, то такая закалка называется полной, если до А_с] - неполной.

В зависимости от скорости охлаждения существуют два принципиально различных способа закалки - закалка на ферритно-цементитные смеси и закалка на мартенсит. При охлаждении со скоростью ниже критической, т.е. такой мини­мальной скорости, которая необходима для образования мартенсита, возникают структуры перлитного типа (перлит, сорбит, троостит, бейнит). Сорбит и троостит отличаются от перлита и друг от друга степенью дисперсности (троостит дисперснее сорбита, а последний - перлита). Чем структура дисперснее, тем вы­ше ее механические свойства.

Охлаждение со скоростью выше критической ведет к превращению аустенита в мартенсит. Суть превращения состоит в перестройке кристаллической решетки аустенита (ГЦК) в решетку феррита (ОЦК). При этом углерод, раство­ренный в аустените, оказывается полностью в решетке феррита. Таким образом, мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в ферри­те. Кристаллическая решетка мартенсита - тетрагональная (искаженная решетка феррита с увеличенным параметром с).

Если при полной закалке (полном отжиге) охлаждение нагретой заготовки ведут на спокойном воздухе, то такая термическая обработка называется норма­лизацией.

Большинство легирующих элементов, растворенных в аустените, повышают его временную устойчивость, сдвигая С-образные кривые изотермического пре­вращения аустенита вправо по координатной оси времени. При этом критическая скорость закалки уменьшается. (В сталях мартенситного типа этого уменьшения оказывается достаточно, чтобы уже при нормализации получить мартенситную структуру).

Мартенситное превращение протекает по бездиффузионному, сдвиговому механизму. Отличительны­ми особенностями мартенситного превращения являются бездиффузионность и ориентированность (иглы мартенсита находятся под определенными углами от­носительно друг друга в соответствии с расположением плоскостей легкого скольжения в аустените).

Мартенситное превращение не захватывает всю аустенитную структуру. Часть аустенита сохраняется в закаленной стали. Такой аустенит называют оста­точным. Количество остаточного аустенита определяется режимами термической обработки и зависит от температур начала и конца мартенситного превращения.

Мартенсит - самая твердая структура, образующаяся при термообработке сталей. Чем больше в нем углерода, тем он тверже.

Заэвтектоидные стали, в отличие от доэвтектоидных, подвергают неполной закалке. Это объясняется тем, что избыточная фаза заэвтектоидных сталей (це­ментит) обладает высокой твердостью, и наличие дисперсных включений цемен­тита повышает износостойкость стали. Нагрев до А_ст привел бы к растворению цементита и, кроме того, к укрупнению аустенитного зерна, а, следовательно, к возникновению после закалки структуры крупноигольчатого мартенсита, обла­дающего пониженными механическими свойствами. Если неполной закалке под­вергнуть доэвтектоидную сталь, то избыточная фаза (феррит), имеющая малую твердость, понизит механические свойства закаленного сплава.

Температура начала мартенситного превращения не зависит от скорости ох­лаждения, но определяется составом сплава. Углерод и большинство легирующих элементов сдвигают точки начала и конца превращения к более низким темпера­турам.

Мартенсит - термодинамически неустойчивая структура. Нагрев, повышая подвижность атомов, приводит к образованию более устойчивых структур (троостит, сорбит, перлит). С повышением температуры снижается твердость и возрас­тает пластичность сплава.

Термическая обработка, состоящая в нагреве закаленной стали до темпера­туры ниже А₁, выдержке и последующем охлаждении с произвольной скоростью, называется отпуском. Чем выше нагрев, тем в большей степени структура при­ближается к равновесной. Различают три вида отпуска: низкий (t = 150... 250 °С), средний (t = 350... 500 °С) и высокий (t = 500... 680 °С).

Сочетание закалки и высокого отпуска называют улучшением, а стали, предназначенные для такой обработки (среднеуглеродистые стали), - улучшае­мыми.

В некоторых случаях нагрев при отпуске заменяют длительной выдержкой при нормальной температуре. Такая обработка называется старением. Если ста­рение проводят с небольшим нагревом, то его называют искусственным.

Обычно при среднем отпуске образуется трооститная структура, при высо­ком - сорбитная. От одноименных структур закалки троостит и сорбит отпуска отличается тем, что цементитные частицы в них имеют зернистую форму (в структурах закалки - пластинчатую).

Большинство легирующих элементов сдерживают мартенситное превраще­ние, сдвигая его в область более высоких температур.

Следует различать термины "закаливаемость" и "прокаливаемость". Закаливаемость - это способность металла повышать твердость при закалке. Прокали­ваемость - это глубина, на которую распространяется закаленная область. При сквозной прокаливаемости свойства материала однородны и достаточно высоки по всему сечению. Количественно прокаливаемость оценивается критическим диаметром, под которым понимают наибольший диаметр прутка, прокаливающе­гося насквозь (в центре возникает полумартенситная структура, состоящая на 50 % из троостита и на 50 % из мартенсита) в данном охладителе. Чем больше скорость теплоотвода (охлаждения), тем на большую глубину прокаливается из­делие. Поэтому критический диаметр при охлаждении в воде больше, чем в мас­ле, и тем более больше, чем на воздухе. Особенно сильно увеличивают прокали­ваемость сталей легирующие элементы (кроме кобальта), растворенные в аустените. Критический диаметр зависит от критической скорости закалки. Чем ско­рость меньше, тем больше диаметр.

В ряде случаев применяют закалку, при которой высокому нагреву подвер­гают лишь поверхностный слой материала (поверхностная закалка). В результате поверхностной закалки изделие приобретает высокую поверхностную твердость, сердцевина же остается вязкой. Широко применяют закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Чем выше частота тока, тем тоньше слой, в котором индуцируются токи, и тем тоньше окажется закаленный слой.