Влияние углерода на твердость термически обработанных сталей
Механические свойства сталей, в том числе и твердость, зависят от их внутреннего строения. Строение углеродистой стали прежде всего зависит от ее химического состава, который в основном характеризуется содержаниям углерода. При постоянном составе стали ее структурное состояние может быть изменено термической обработкой.
Из существующих видов термической обработки отжиг, с одной стороны, и закалка -с другой, дают наиболее резкое отличие в структуре и свойствах стали. В результате отжига сталь приобретает структуру, близкую к равновесной, прочностные свойства углеродистой стали при этом отличается сравнительно низким уровнем, а пластические - повышенным. Закалка, наоборот, дает крайне неравновесную структуру, высокие значения прочностных свойств и низкие - пластических.
ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА
ОТОЖЖЕННЫХ СТАЛЕЙ
Ранее были изучены структуры чистых железоуглеродистых сплавов. Технические стали отличатся от чистых железоуглеродистых сплавов тем что содержат, кроме железа и углерода, еще ряд элементов примесей неизбежно попадающих в стали в связи с условием производства (плавки).
Если содержание примесей не превышает количества, указанного в ГОСТ 380-88, то их влияние на свойства сталей незначительно. Следовательно, структура и свойства технических сталей могут характеризоваться почти так же, как и чистых двойных сплавов, то есть в полном соответствии с диаграммой состояния железо - углерод. В соответствии с диаграммой состояния после отжига в равновесном состоянии структура стали представляет собой смесь феррита и цементита, в которой количество последнего увеличивается пропорционально содержанию углерода. Ясно, что свойства медленно охлажденных (отожженных) сталей будут определяться прежде всего свойствами и количеством составляющих фаз. Основной (преобладающей) фазой в сталях является феррит. Механические свойства феррита характеризуются следующими величинами:
Предел прочности при растяжении, МПа 250
Предел текучести при растяжении, МПа 120
Относительное удлинение, % 50
Относительное сужение, % 85
Твердость, НВ 80
Эти показатели могут, изменяться в некоторых пределах, так как на свойства феррита влияет ряд факторов (например, увеличение размеров зерен понижает твердость, а увеличение содержания примесей повышает твердость).
Цементит твердый (НВ - 800) и хрупкий. С изменением содержания углерода изменяется структура стали.
Структура технически чистого железа, содержащего до 0,006 %С, состоит только из феррита, что и определяет его низкие прочностные свойства. Технически чистое железо, содержащее 0,007 - 0, 02 %С, наряду с ферритом имеет в структуре небольшое (не более 0,29 %) количество цементита третичного, располагающегося в виде сравнительно крупных включений по границам ферритных зерен. Цементит третичный при таком его расположении оказывает незначительное влияние на прочностные свойства, несколько повышая их.
В структуре железоуглеродистых сплавов, содержащих свыше 0,02%С, появляется двухфазная структурная составляющая - перлит. Механические свойства перлита, в частности твердость, определяются количественным соотношением присутствующих в нем феррита (88%) и цементита (12%), так и формой и дисперсностью частичек цементита. Поэтому прочность перлита может изменяться от 550 МПа для крупнопластинчатого до 820 МПа для тонкопластинчатого, а твердость от НВ = 160 ед. до НВ = 250 ед.
Для, заэвтэктоидных сталей (углерода свыше 0,8э %), структура которых, кроме пластинчатого перлита, содержит цементит вторичный, наблюдается дальнейшее повышение твердости. Однако другая прочностная характеристика - предел прочности, достигнув наибольшего значения при 0,8 - 0,9%, при более высоких содержаниях углерода понижается. Это обусловлено наличием большого количества хрупкой цементитной фазы, а также тем, что часть ее (цементит вторичный) расположена в виде сплошной оболочки по границам зерен. В результате этого снижается сопротивление отрыву и предел прочности.
Пластические свойства сталей (относительное удлинение и относительное сужение, ударная вязкость) по мере увеличения содержания углерода в стали непрерывно понижаются.
ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ
Основная цель, преследуемая при закалке углеродистых сталей, - получение высоких прочностных свойств. Достигается эта цель за счет получения высокопрочной твердой мартенситной фазы, образующейся из аустенита при быстром охлаждении, то есть при мартенситном. превращении.
Мартенситное превращение в чистом железе и в безуглеродистых сплавах способно привести к повышению прочностных свойств по сравнению с отожженным состоянием. Так по сравнению с обычной ферритной структурой твердость железа а результате мартенситного превращения возрастает с 60 до 200 НV а предел прочности -с 200 до 900 МПа. Высокая твердость мартенсита объясняется повышенной плотностью дефектов в его решетке: двойниковых прослоек и дислокаций.
При закалке сталей достигается значительно большее упрочнение, чем в безуглеродистых железных сплавах, причем эффект закалки повышается с увеличением содержания углерода. Это можно объяснить следующим образом.
При мартенситном превращении в сталях весь углерод, растворенный в аустените остается в твердом растворе. Мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в α - железе. Сохранение углерода в твердом растворе при мартенситном превращении вызывает искажение решетки, поэтому мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку, в которой один период С больше другого – А. Тетрагональность прямопропорциональна содержанию углерода. Большей пластичностью обладают более симметричные решетки, так как в них больше плоскостей легкого скольжения. Твердость же определяется сопротивлением внедрению в тело индентора, что связано с пластичностью.
Очень большое влияние на твердость мартенсита оказывает фазовый наклеп, возникающий при закалке стали. Природа фазового наклепа заключается в следующем. Мартенсит по сравнению с другими фазовыми составляющими стали и особенно аустенитом имеет наибольший удельный объем. Поскольку рост мартенситных кристаллов протекает с увеличением объема, то окружающий аустенит и мартенситные пластины подвергаются сильному наклепу. Этот наклеп называется фазовым, так как он связан с фазовым превращением.
С увеличением содержания углерода в стали удельный объем мартенсита возрастает значительно интенсивнее, чем удельный объем аустенита.
Необходимо помнить, что в зависимости от температуры нагрева закалку называют полной и неполной. При полной закалке сталь переводят в однофазное состояние, то есть нагревают выше критической температуры Ac3, при неполной закалке сталь нагревают до межкритических температур - между Ас1 и Ac3.
При быстром охлаждении в процессе закалки не весь аустенит успевает превратиться в мартенсит. Остается какая то его часть – остаточный аустенит, приводящий к снижению твердости и прочности. Количество остаточного аустенита прямопропорциоанально количеству углерода в стали.
Таким образом, углерод оказывает существенное влияние на структуру и свойства как отожженных, так и закаленных сталей.