Файл: Технология металлов и конструкционные материалы учебное пособие..pdf

как железо, кроме того что образует с углеродом хи­ мическое соединение Fe3C, имеет две аллотропические формы а и у, то в системе существуют следующие фа­

зовые составляющие.

Жидкость (жидкий раствор углерода в железе), су­

щая собой раствор углерода в a-железе. Обозначается

ется аустенит А.

Сплав с содержанием 4,3% С кристаллизуется в эв- - тектику аустенит + цементит (точка С при 1147°С), ко­ торая называется ледебурит. Следовательно, непосред­

вторичного цементита и перлита и называются заэвтектоидными. В феррите при 727°С растворяется 0,025% С, а три 20°С — 0,006 % С, поэтому при охлаждении-фер­ рита ниже 727°С он насыщен углеродом и по линии PQ из него выпадает цементит третичный F3Cni и, следо­ вательно, стали с содержанием ^0,025% имеют структуру феррит + F e 3Cm.

На рис. 32,а, б представлены микроструктуры доэвтектоидной, эвтектоидной (рис. 32,б) и заэвтектоидной (рис. 32,г) сталей. Феррит — наименее твердая и наиболее пластичная структура в этих сплавах с твер­ достью Н В ~ 8 0. Перлит состоит из чередующихся лла-

63

структуру первичного цементита и ледебурита и назы­ ваются заэвтектическими (рис. 32,ж) (см. стр. 103).

Эти чугуны называются белыми, так как из-за боль­ шого количества цементита в структуре они имеют характер1ный блестящий излом в отличие от серых чугунов, имеющих серо-матовый излом из-за наличия в их струк­ туре графита.

§ 21. Превращение аустенита при охлаждении

греве Ас3), а на линии PSK (727°С) — нижние критиче­ ские точки, обозначаемые Аг\ при нагреве Лсь Происхо­

при скорости охлаждения до 150°С в одну секунду кри­ тическая точка А'г снижается с 727 до 500°С, при этом аустенит распадается на механическую смесь феррита и цементита, и чем ниже температура распада аустени­ та, тем более дисперсны будут пластинки цементита и феррита. При А'г выше 600°С аустенит распадается на

чем в сорбите, а в сорбите крупнее, чем в троостите. При скоростях охлаждения >200°С в одну секунду

Аг понижается до 240°С (А"г), при этом происходит лишь аллотропическое превращение, заключающееся в перегруппировке атомов из решетки у в слегка вытяну­ тую решетку а. Атомы углерода остаются в решетке а, образуя пересыщенный твердый раствор углерода в и- железе — мартенсит. При скоростях охлаждения от 150 (oi) до 200°С/с (v2) наблюдаются две критические точ­ ки: при ~500°С часть аустенита распадается на троос­ тит при ~240°С нераспавшаяся часть аустенита превра-

66

Скорость охлаждения, °C/l

Рис. 33. Влияние скорости охлаждения на снижение крити­ ческих точек превращения аустенита эвтсктондной стали

Рис. 34. Диаграмма изотермического превращения аус­ тенита эвтектоидной стали

щается в мартенсит и сталь получает троостито-мартен- ситную структуру. При 'Скоростях охлаждения, превы­ шающих v 2t наряду с мартенситом в структуре стали бу-

дет некоторое количество нераспавшегося (остаточного) аустенита.

Изотермические превращения аустенита. Если пере­ охладить аустенит до какой-либо температуры и выдер­ жать его при этой температуре в печи или ванне с жид­ ким расплавом, то некоторое время (от долей секунды до нескольких часов) аустенит не претерпевает никаких превращений (инкубационный период), затем он начи­ нает и через некоторое время кончает .превращение в структуру, соответствующую степени его переохлажде­ ния. Дальнейшая выдержка не вызывает никаких изме­ нений в структуре. Такие превращений аустенита назы­ ваются изотермическими. Нанеся на диаграмме (рис. 34)

Мк (—50°С) — концу. Наименьшая скорость охлаждения, при которой получается мартенситная (с остаточным аустенитом) структура, называется критической и„р. Ско­ рость охлаждения икр на рис. 34 соответствует и2 на рис. 33; С-образные кривые изотермических превраще­ ний в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях будут сдвинуты влево и цКр больше, чем в эвтектоидной стали; Мн в доэвтектоидной стали выше, а в заэвтектоидной стали ниже, чем в эвтектоидной. На практике ц[(р — ми­ нимальная скорость охлаждения при закалке.

Структуры мартенсит, троостит, сорбит— структуры неустойчивые метастабильные, имеющие повышенную твердость, прочность н пониженную вязкость, пластич^ ность:

68

бит, до 650—700°С — в перлит. При этом цементит в пер­ литной группе структур получает не пластинчатую, а бо­ лее или менее округлую (зернистую) форму. Нагрев закаленной стали до температуры ниже Ас\ с целью по­ нижения твердости и прочности и повышения вязкости и пластичности до требуемых пределов, уменьшения или снятия напряжений, полученных при закалке, и получе­ ния более стабильной структуры называется отпуском.

Мартенсит —структура закаленной стали, имеет игольчатое строение. При закалке вследствие недоста­ точной теплопроводности стали с наружной стороны де­ тали и в центре будут различные скорости охлаждения и, следовательно, различные структуры. Поверхностные слои могут иметь мартенситную структуру, а сердцеви­ на—сорбит и даже перлит. Способность стали образо­ вывать на определенной глубине мартенситную струк­ туру называется прокаливаемостыо. Прокаливаемость зависит от окр (рис. 34) и содержания легирующих эле­ ментов. Чем более С-образпые кривые сдвинуты вправо, тем прокаливаемость стали больше. Прокаливаемость имеет исключительно важное значение как для деталей, так и для инструментов. Метастабильные структуры приведены на рис. 35 (см. с. 108, 109).

§ 22. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали

Легирующими называются элементы, специально вводи­ мые в сталь для изменения ее свойств. Элементы Si, Мп, Cr, Ni, W, Mo, V, Со, Ti, В, А1 и др. оказывают следую­ щее влияние:

1. Все легирующие элементы растворяются в феррите и повышают его твердость и прочность. Так при содержа­ нии марганца 4% повышается твердость феррита НВ с 80 до 230. Повышение прочности феррита влечет за собой повышение прочности перлита, сорбита и т.роостита и при некоторых соотношениях легирующих элементов одновре­ менно повышаются вязкость и пластичность этих струк­ тур.

2. Растворяясь в у-железе, почти все легирующие эле­ менты сдвигают С-обраэные кривые изотермических пре­ вращений аустенита вправо, способствуя повышению прокаливаемое™ стали,

70

3.Все легирующие элементы, за исключением Ni, Si, Си, А1 и Со, образуют с углеродом карбиды, некоторые из них, например WC, имеют твердость НВ около 1200. При нагреве стали до 600°С указанная твердость сохра­ няется. Сталь обладает красностойкостью.

4.Легирующие элементы, как правило, измельчают зерно, немного повышая прочность стали.

5.Если углеродистые стали напреть выше Асг (ау­ стенит) и охладить на воздухе (нормализация), то полу­ чаются феррито-перлитная, перлитная или перлито-це-

ментитная .структуры. Легированные стали после норма-

L

Рис. 36. Диаграмма изотермического превращения аустенита для ста­ лей:

а — перлитного wiacca; б — мартенситного класса; о — аустенитного класса

лизании в зависимости от положения С-образных кривых изотермических превращений могут иметь структуру пер­ лита, мартенсита или аустенита (Л4Н ниже 0°) (рис. 36). Структура, получаемая после нормализации, определя­ ет класс стали. К трем .классам, рассмотренным ранее, добавляются стали ферритного класса (низкоуглероди­ стые с высоким содержанием Сг и Si) и карбидного клас­ са, легированные Cr, W, V, Мо и др.

Легирующие элементы наряду с повышением механи­ ческих свойств сообщают стали особые свойства, напри­ мер коррозионную стойкость, жаропрочность и т. д.

§ 23. Технологические и эксплуатационные свойства стали в зависимости от ее структуры

Структура стали влияет на обрабатываемость давлением и резанием. Для глубокой вытяжки в холодном состоя­ нии структура должна иметь высокую пластичность и

71

Троосгит, как структура высокой прочности и доста­ точной пластичности, является структурой ударного, штампового инструмента, а также рессор и пружин. Для нержавеющих сталей предпочтительна однофазная стру­ ктура: феррит, мартенсит, аустенит.

Трансформаторные стали должны обладать высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной си­ лой. Крупнозернистый феррит удовлетворяет этим требо­ ваниям. Для постоянных же магнитов необходимо иметь структуру мартенсита.

. § 24. Термическая обработка стали

Термическая обработка представляет собой совокуп­ ность операций нагрева, выдержки и охлаждения, про­ водимых в определенной последовательности с целью

•изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств.

По классификации А. А. Бочвара различают четыре основных вида термической обработки: 1 ) отжиг I .ро­

ноосной структуры. Отжиг, нормализация и закалка — это процессы термической обработки, при которой про­ исходят превращения аустенита при различных скорос­ тях его охлаждения.

Скорость нагрева должна быть такой, чтобы разность температур поверхностных и сердцевинных слоев была минимальной во избежание напряжений и трещин. По­ этому на скорость нагрева оказывают влияние форма, сечение детали и ее химический состав. Легирующие элементы понижают теплопроводность стали. Поэтому чем крупнее деталь и более легирована сталь, тем мед­ леннее она должна нагреваться.

По достижении требуемой температуры нагрева не­ обходима выдержка при этой температуре для прогрева изделия по всему сечению и для диффузионного вырав­ нивания концентрации углерода и других элементов в аустените, что благоприятствует получению при охлаж­ дении наиболее однородного продукта распада аусте­ нита.

Нагрев стали проводят в печах или ваннах с расплав­ ленными солями. Нагревательная среда оказывает боль­

73