Металловедение

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-