2.3. Классификация сплавов системы Fe–c по структуре

Диаграмма состояний сплавов служит основой классификации сплавов по структуре, а также для выбора режимов термической обработки

Прежде всего, сплавы рассматриваемой системы подразделяются на стали и чугуны. К сталям относят сплавы, содержащие до 2 % углерода, к чугунам – сплавы, содержащие 2 и более % углерода. Чугуны, содержащие около 4,3 % углерода, называют эвтектическими, от 2-х до 4,3 – доэвтектическими и более 4,3 углерода – заэвтектическими.

Преимущественной структурой эвтектических чугунов является ледебурит, состоящий из смеси кристаллов аустенита и цементита. Цементит не является термически устойчивым соединением и при медленном охлаждении или при длительной выдержке чугунов при высоких температурах распадается на смесь графита и аустенита. Если же аустенит по содержанию углерода приближается к составу, соответствующему точке S диаграммы железо-углерод, а охлаждение в районе температур 750-700⁰С происходит достаточно медленно (10-20⁰С/час), то распад аустенита сопровождается выделением хлопьевидного графита, а не цементита и получается ферритный серый чугун. Если же скорость охлаждения в этом интервале температур велика, то формируется структура ковких перлитных серых чугунов (перлит – смесь феррита и цементита). Название «ковкие» не означает, что эти чугуны куют, а просто означает, что они относительно пластичны, но не выдерживают высоких скоростей нагружения.

Стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. К эвтектоидным относят стали с содержанием углерода 0,83%, основной составляющей которых является перлит, т. е. смесь, содержащая ~ 12 % цементита с ~ 88 % кристаллов феррита.

Доли фазовых и структурных составляющих в сплавах оцениваются экспериментально на основании данных металлографического анализа, а также применением правила отрезков. Так, например, приведённая доля цементита в эвтектоидной стали 12 % определяется соотношением длины отрезка PS (равного 0,807 % С) к длине отрезка РК (равного 6,677 % С). Это соотношение равно 0,121, т.е. @ 12 %.

В доэвтектоидных сталях рассматривается чаще не доли фазовых, а доли структурных составляющих. Так, в стали 45 (с 0,45 % углерода) оцениваются доли перлита и феррита. Доля перлита в этой стали примерно равно отношению (0,45-0,023)/(0,83-0,023), т.е. величине равной 0,53. Это означает, что доля перлита в этой стали составляет примерно 53 %, а доля феррита равна @ 47 %, доля же цементита в этой стали лишь немного превышает 6,7 %.

Как уже отмечалось, структура стали и её свойства зависят от условий её нагрева и охлаждения, называемых термической обработкой.

Существует 4 основных вида термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и старение.

Отжиг. Под отжигом понимают операцию нагрева, выдержку при определённой температуре и охлаждение. Предназначен он для устранения химической неоднородности в пределах отдельных кристаллов, снятия деформационного упрочнения, фазового упрочнений, возникающих за счёт объёмных изменений. Выравнивание состава и свойств сталей приводит к уменьшению склонности стали к охрупчиванию.

Для выравнивания химического состава стали, используют диффузионный отжиг, когда её нагревают до 1100-1200⁰С и выдерживают 8 – 20час.

Для исключения накопления деформационных дефектов в холоднодеформированных сталях применяют рекристаллизационный отжиг (нагрев до 450-650⁰С, в зависимости от состава стали), выдержку при этих температурах и последующее медленное охлаждение.

Закалка стали. Эта операция состоит в нагреве стали до температур на 30-50⁰С превышающих линию GOSK диаграммы Fe-C, выдержке до завершения превращения смеси перлита и феррита в аустенит и охлаждении стали со скоростью выше критической. Критической скоростью охлаждения является такая минимальная скорость охлаждения, при которой аустенитная структура не успевает превратиться в феррито-цементитную смесь. Для простых углеродистых сталей критическая скорость охлаждения составляет 120-200⁰С/сек. Минимальное значение критической скорости наблюдается для эвтектоидных сталей.

Для легированных сталей характерны малые скорости перлитного превращения аустенита. Это позволяет осуществлять закалку легированных сталей в масле и других охлаждающих средах.

Основной структурой, фиксируемой в стали после закалки, является мартенсит. Мартенсит представляет собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в железе, имевшем решётку ОЦК. После закалки кубическая ГЦК решётка превращается в тетрагональную, т.е. в решётке, у которой параметры a и b близки к параметру «a» исходной решётки, а параметр «с» становится большим, чем «а». Объём ячейки возрастает. Степень тетрагональности (с/а) увеличивается с повышением содержания углерода в стали. Не во всех сталях аустенит при закалке полностью превращается в мартенсит. Аустенит, не превратившийся при закалке в мартенсит, называется остаточным.

Полнота мартенситного превращения в сталях может быть повышена обработкой холодом, т.е. дополнительным охлаждением до температур ниже комнатной (напр., охлаждением в жидком азоте при температуре –196⁰С непосредственно после закалки).

После закалки резко возрастает твёрдость сталей, но в ней возникают и внутренние напряжения, увеличивающие склонность к охрупчиванию.

Снятие внутренних напряжений производится путём операции «отпуск» сталей. Отпуск проводится обязательно после закалки.

Отпуск. Целью этого вида термической обработки является не только снятие внутренних напряжений, но и повышение пластических свойств стали. Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

При низком отпуске, чаще применяемом для высокоуглеродистых сталей, после снятия внутренних напряжений несколько повышается вязкость без заметного изменения твёрдости. Температура низкого отпуска – 150-200⁰С для нелегированных сталей, а для легированных она повышается на 50-100⁰С. Длительность низкого отпуска превышает 1,5 часа и возрастает при понижении температуры.

Средний отпуск проводится при температурах 300-500С и длительности около 1 часа. При среднем отпуске проходят сначала процессы, характерные для низкого отпуска, т.е. выделение углерода из мартенсита, а при 250-400⁰С происходит распад остаточного аустенита и образование цементита на границах бывших аустенитных зёрен, снижается концентрация дефектов (дислокаций).

Среднему отпуску чаще подвергают детали с повышенными требованиями к их упругости (рессоры, мембраны, пружины).

Высокий отпуск производится при температурах 500 – 680⁰С и осуществляется за 30 – 45 мин. При этом повышается вязкость и пластичность стали. Высокому отпуску подвергают изделия и из легированных сталей, подвергающиеся ударным нагрузкам. Операция закалки с высоким отпуском называется улучшением стали.

Операция термической обработки сплавов, называемая старением, также обязательно проводится после закалки. Заключается она в том, что при закалке фиксируется пересыщенный твёрдый раствор, но применяется эта операция для сплавов, в которых в отличие от сталей при закалке не происходит полиморфных превращений. Операция старения заключается в нагреве закалённого материала до температур ниже кривой растворимости, определяемой по диаграмме состояния. В процессе выдержки при этих температурах пересыщенный твёрдый раствор (однофазный) распадается на две или большее число метастабильных, или близких к стабильным фазам. В результате таких изменений фазового и структурного состояния значительно повышаются прочностные характеристики сплавов.

Вопросы для самопроверки по теме

1. Чем отличаются стали от чугунов?

2. Какие фазовые составляющие называют ферритом, аустенитом, цементитом, мартенситом?

3. Какие основные виды термообработки используют в технике?

4. Какие виды отпуска используют для углеродистых и легированных сталей?

5. Какую термообработку следует использовать для снижения количества или полного превращения остаточного аустенита?

Тесты по теме 2

Тест 1. Являются ли феррит (Ф), аустенит (А) и цементит (Ц) фазовыми или структурными составляющими в сталях?

1. Ф, А и Ц – фазовые составляющие;

2. Ф.А и Ц структурные и фазовые составляющие;

3. в заэвтектоидных сталях Ф не может быть структурной составляющей.

Тест 2. При каких температурах и концентрациях углерода в системе Fe-С сосуществуют три фазы?

2.1. таких точек нет;

2.2. такая точка только одна – С (1147⁰С, С = 4,3%);

2.3. таких точек три – эвтектическая, перитектическая и эвтектоидная.

Тест 3. Чему равно количество перлита в сталях с 0,8% углерода?

3.1. 30%;

3.2. 70%;

3.3. 100%.

Тест 4. В соответствии с диаграммой Fe-C какие фазы устойчивы ниже линии ЕСР?

4.1. А, Л (ледебурит), Ц;

4.2. Л и Ц;

4.3. А и Ц.

Тест 5. После каких термообработок в сталях фиксируется мартенсит?

5.1. после отжига;

5.2. после отпуска;

5.3. после закалки.