Металловедение
.pdf121
сплава эвтектического состава, т. е. содержащего 4,3% углерода, который, кри-
сталлизуясь при этой температуре, образует ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с
содержанием 2,14% углерода.
Ниже превращение претерпевает только ледебурит, а первичный цемен-
тит не изменяется. Превращение в ледебурите такое, как описано выше при рассмотрении доэвтектического и эвтектического чугуна, т. е. от ^ до Ari внут-
ри ледебурита выделяется вторичный цементит и чугун состоит из ледебурита и первичного цементита.
При Ari внутри эвтектики аустенит превращается в перлит. Ниже Ari чу-
гун состоит из ледебурита и первичного цементита (см. рис. 67, в).
§ 4. Диаграмма состояния железо - графит
Диаграмма состояния железо - графит характеризует процессы кристал-
лизации железоуглеродистых сплавов, в результате которых углерод выделяет-
ся в свободном состоянии, в виде графита. В данной системе твердыми фазами являются аустенит, феррит и графит. Характеристики аустенита и феррита Описаны при рассмотрении системы Fe:- Fe3C. Следовательно, особенностью рассматриваемой системы является образование графита.
Графит - неметаллическая фаза, кристаллизуется в форме искривленных лепестков (рис. 70, о). При рассмотрении под микроскопом нетравленного
122
шлифа графит выявляется в виде темных включений пластинчатой формы (рис.
70, б).
Диаграмма состояния железо - графит приведена пунктиром на рис. 71.
Как видно, горизонтальные линии E'C'F' к P'S'K' этой диаграммы находятся не-
сколько выше, а наклонные линии CD' и S'E' несколько левее соответствующих линий диаграммы железо - цементит.
Рассмотрим диаграмму состояния железо - графит. Линия AC'D' - это ли-
ния ликвидуса. По ветви ликвидуса АС выделяется аустенит, по ветви ликвиду-
са CD' выделяется графит (первичный); На линии солидуса E'C'F' (1153° С) об-
разуется эвтектика, состоящая из графита и аустенита, которую называют гра-
фитной эвтектикой. Линия S'E' - это линия растворимости углерода в аустените в графитной системе, показывающая, что с понижением температуры раство-
римость уменьшается. Следовательно, при понижении температуры в этой сис-
теме из аустенита выделяется графит, называемый вторичным.
На линии Р'5'А:'(738'Q аустенит с со-
держанием 0,7% углерода (точка S') распа-
дается с образованием эвтектоида, состоя-
щего из феррита и гра-фкгга. Этот эвтекто-
ид называют графитным.
Следовательно, после полного охла-
ждения структура этой системы состоит из феррита и графита - эвтектического, вторичного и эвтектоидного. Такой чугун называют серым фер-ритным чугуном* .
Однако различать в микроструктуре все перечисленные структурные со-
ставляющие в большинстве случаев невозможно. Это объясняется тем, что в процессе первичной кристаллизации образуется большое количество графито-
вых включений. Графит, возникающий при распаде аустенита, не образует са-
123
мостоятельных выделений, а наслаивается на имеющиеся графитные включе-
ния, увеличивая их размеры.
* Серым чугуном называют сплав железа с углеродом с содержанием бо-
лее 2% С (обычно 2,4 - 3,8% С), в котором углерод находится в свободном со-
стоянии в виде графита (пластинчатого) или часть углерода (большая) находит-
ся в виде графита, а часть в связанном состоянии в виде цементита, но количе-
ство связанного углерода равно или меньше эвтектоидного (см. гл. XV).
** Классификация видов термической обработки приведена в гл. VIII
«Тех-нологические процессы термической обработки стали».
124
Г л а в а VII
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
§ 1. Общие положения
Термической обработкой называют процессы теплового воздействия по определенным режимам с целью изменения структуры и свойств сплава **. От термической обработки зависит качество и стойкость в работе деталей и инст-
румента. Основоположником теории и рациональных методов термической об-
работки стали является русский ученый Д. К. Ч е р н о в . Приоритет в разра-
ботке многих методов термической обработки сплавов принадлежит русским и советским ученым.
На результат термической обработки оказывают влияние следующие фак-
торы: время (скорость) и температура нагрева, время (продолжительность) вы-
держки и время (скорость) охлаждения.
Таким образом, основными факторами термической обработки являются температура и время. Поэтому процесс термической обра-
ботки обычно изображают в виде графика в координатах температура -
время (рис. 72). Если термическая обработка состоит только из одной операции,
то она называется простой (рис. 72, а), а если из нескольких операций - слож-
ной (рис. 72, б).
Теория термической обработки стали основана на общей теории фазовых превращений, протекающих в сплавах в твердом состоянии, изложенной в гл.
H I «Теория сплавов». Знание теории фазовых и структурных превращений,
125
протекающих при нагреве и охлаждении стали с различной скоростью, позво-
ляет управлять процессами термической обработки и получать сталь с необхо-
димыми структурой и свойствами.
§ 2. Превращение перлита в аустенит
Согласно левой нижней части диаграммы состояния железо - цементит
(рис. 73) при нагреве доэвтектоидной стали (исходная структура феррит + пер-
лит) и переходе через критическую точку Ac1 (линия PSK, температура 727°
С) перлит превращается в аустенит, т. е. образуется структура феррит + аусте-
нит. При дальнейшем повышении температуры феррит постепенно превраща-
ется в аустенит и по достижении температуры, соответствующей критической точке Асз (линия GS), структура стали состоит из одного аустенита.
При нагреве заэвтектоидной стали (исходная структура перлит + цемен-
тит) происходят аналогичные превращения с той лишь разницей, что избыточ-
ной фазой в данном случае является не феррит, а цементит, который полностью растворяется в аустените при достижении температуры критической точки Ас1 (линия SE).
Для эвтектоидной стали (исходная структура пер-
лит) превращение (образование аустенита) заканчивается при температуре критической точки Ас1 (линия PSK,
температура 727° С).
126
в действительности превращение перлита в аустенит (а также и обратное превращение аустенита в перлит) не может происходить при 727° С, так как при этой температуре свободная энергия перлита равна свободной энергии ау-
стенита. Поэтому для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть выше равновесной температуры 727° С, т. е. должен быть так на-
зываемый перенагрев так же, как для превращения аустенита в перлит должно быть переохлаждение.
Процесс превращения перлита в аустенит в эвтектоидной стали при на-
греве происходит следующим образом. Исходное состояние стали представляет смесь фаз феррита и цементита. При переходе через критическую точку Ас1 на границе ферритной и цементитной фаз начинается образование мелких зерен аустенита (рис. 74, а), в которых растворяется цементит. Затем образовавшиеся зерна растут, зарождаются новые мелкие зерна аустенита (рис. 74, б, в) и про-
должается растворение цементита. Процесс заканчивается заполнением объема бывшего перлитного зерна зернами аустенита (рис. 74, г).
127
Таким образом, превращение перлита в аустенит является процессом кри-
сталлизационного типа и носит диффузионный характер, так как сопровожда-
ется перемещением атомов углерода.
§ 3. Рост зерна аустенита при нагреве
Образующиеся при нагреве выше критической точки Ас1 из зерен перли-
та зерна новой структуры - аустенита - получаются мелкими и называются на-
чальными зернами аустенита (рис. 75). При повышении температуры происхо-
дит рост зерен и тем в большей степени, чем выше температура нагрева. Но склонность к росту зерен с повышением температуры у сталей различная. Ста-
ли, раскисленные в процессе выплавки кремнием (ферросилицием) и мар-
ганцем (ферромарганцем), обладают склонностью к непрерывному росту зерна с повышением температуры. Такие стали называют наследственно крупнозер-
нистыми (рис. 75). Стали, раскисленные в процессе выплавки дополнительно алюминием, ванадием или титаном, не обнаруживают роста зерна при нагреве до значительно более высоких температур (900-950° С). Такие стали называют наследственно мелкозернистыми (рис. 75).
Под наследственной зернистостью подразумевается склонность аусте-
нитного зерна к росту при повышении температуры.
При нагреве наследственно мелкозернистых сталей выше определенной температуры наблюдается резкий рост зерна, и размер зерна получается даже большим, чем у наследственно крупнозернистых сталей, нагретых до той же температуры. Такое поведение наследственно мелкозернистых сталей при на-
греве объясняется тем, что присутствующий в них алюминий образует окислы
Al2O3 и нитриды A1N, а ванадий и титан, кроме окислов V2O5, TiO2 и нитридов
VN, TiN, образуют еще и карбиды VC, TiC. Все эти соединения в виде мелких включений располагаются по границам зерен и механически препятствуют их росту при нагреве. При определенной температуре нагрева происходит раство-
128
рение включений в аустените, препятствия, тормозившие рост зерен, устраня-
ются, и зерна начинают расти очень быстро.
От величины зерна аустенита, образующегося при нагреве, зависит вели-
чина зерна продуктов распада аустенита. Если зерно аустенита мелкое, то и продукты распада аустенита получаются мелкими.
Зерно стали, которое наблюдается при данной температуре в микроскоп,
называется действительным. От размера действительного зерна зависят меха-
нические свойства стали, главным образом вязкость, значительно понижаю-
щаяся с увеличением размера зерна.
Размер наследственного зерна оказывает влияние на технологические свойства стали. Если, например, сталь наследственно мелкозернистая, следова-
тельно, ее можно нагревать до высокой температуры и выдерживать длитель-
ное время, не опасаясь роста зерна.
§ 4. Распад аустенита (диаграмма изотермического превращения
аустенита)
Для определения величины наследственного (аустенитного) зерна приме-
няют различные методы. Например, для низкоуглеродистых цементируемых сталей применяют метод цементации, т. е. науглероживание поверхности стали.
В результате цементации (нагрев до 930 ± 10° С в углеродсодержащей смеси и выдержка при данной температуре в течение 8 ч) поверхностный слой насы-
129
щается углеродом до заэвтектоидного состава. При охлаждении из аустенита выделяется избыточный цементит, который располагается по границам зерен аустенита в виде сетки. После полного охлаждения эта цементитная сетка ок-
ружает зерна перлита.
Таким образом, цементитная сетка, расположенная вокруг зерен перлита,
показывает размер бывшего при нагреве аустенитного зерна. Подготовленная структура стали рассматривается в микроскоп при увеличении в 100 раз и ви-
димые под микроскопом зерна сравнивают с эталонными, предусмотренными стандартной шкалой размеров зерна по ГОСТ 5639-65 (рис. 76).
Распад аустенита может происходить только при температурах ниже 727°
С (критическая точка Ai), когда свободная энергия переохлажденного аустени-
та выше свободной энергии продуктов его превращения. Из этого следует, что для распада аустенита должно быть его переохлаждение. От степени переохла-
ждения, т. е. от температуры, при которой происходит распад аустенита, зави-
сит скорость превращения и строение продуктов распада аустенита. Законо-
мерности этого процесса характеризуются диаграммой изотермического пре-
вращения переохлажденного аустенита, т. е. распадом аустенита (при постоян-
ной температуре).
Если нагретую до состояния аустенита сталь быстро охладить до темпе-
ратуры ниже критической точки Ai и затем выдержать при данной температуре,
то превращение аустенита в феррито-цементитную смесь будет проходить в те-
чение определенного времени. Такой процесс превращения аустенита при по-
стоянной температуре (изотермический процесс) можно охарактеризовать кри-
выми, приведенными на рис. 77, а. После охлаждения стали до температуры ниже критической точки Ai аустенит сохраняется нераспавшимся некоторое время, равное отрезку о-а. Этот период времени называется инкубационным.
По истечении инкубационного периода начинается распад аустенита на ферри-
то-цементитную смесь. С течением времени все больше и больше распадается
130
аустенит (отрезок а-б). Полный распад аустенита заканчивается по истечении времени, равного отрезку а-в (рис. 77, б). Следовательно, для распада аустени-
та на феррито-цементитную смесь при какой-то определенной температуре
требуется определенное время.
По экспериментальным кривым, полученным для многих температур пе-
реохлаждения (ti, 4 и т. д.), можно построить диаграмму изотермического пре-
вращения аустенита. Для этого экспериментальные кривые совмещают на од-
ной диаграмме (рис. 78, а). По осям координат диаграммы изотермического превращения аустенита (рис. 78, б) откладывают время (ось абсцисс) и температуру распада ау-
стенита (ось ординат). В связи с тем что время распада аустенита может изменяться от несколь-
ких секунд до нескольких часов, для удобства построения применяется логарифмическая шка-
ла времени l n η. Затем проводят линии, соответ-
ствующие температуре A1 (для эвтектоидной
стали) или А1 и A3 (для доэвтектоидной стали)
и температуре начала мартенситного превраще-
ния Мn . Точки а (начала распада аустенита) и б
(окончан и я распада) для каждой температуры превращения переносят на соответствующие го-
ризонтали температур. Затем точки 1, и т. д. соединяют друг с другом, в ре-