Критические точки сталей (точки Чернова)

Открытие Д. К. Черновым в 1886 г. критических точек стали послужило фундаментом для создания науки о металлах и построения диаграммы железоуглеродистых сплавов. Важнейшее значение работ Чернова – установление связи между обработкой стали, ее структурой и свойствами. Это обеспечило возможность назначения режимов термической обработки сталей.

Критические точки сталей обозначают буквой А с индексом, указывающему, какому процессу соответствует критическая точка: нагреву – индекс «с», охлаждению – «r». Кроме того, каждая точка имеет постоянный номер, который соответствует определенной температуре (линии диаграммы).

Для определения критических точек сталей рассмотрим «стальную часть» диаграммы на рис. 24. Сечение I здесь соответствует доэвтектоидной стали (С < 0,8 %). Там, где сечение пересекает линии диаграммы и будут критические точки. При нагревании сечение пересекает пунктирную линию, которая проходит через всю диаграмму от линии PQ до правой ординаты, буквенного обозначения она не имеет, ее температура – 210°С – это критическая точка Ас₀ – магнитное превращение цементита (цементит теряет магнитные свойства).

Затем сечение пересекает линию PSK, температура – 727°С, критическая точка Ас₁ – превращение перлита в аустенит (начало перекристаллизации). Далее сечение пересекает линию МО, температура – 768°С, точка Ас₂ – превращение железа-альфа в немагнитное бета-железо, сталь становится немагнитной. Дальнейшее повышение температуры приводит к пересечению линии GS – точка Ас₃, сталь переходит в однофазное аустенитное состояние (конец перекристаллизации).

Температура точки Ас₃ зависит от содержания углерода в стали, поскольку линия диаграммы GS наклонная.

При охлаждении номера точек не меняются. В точке Аr₃ (линия GS) начнется перекристаллизация стали, в точке Аr₂ (768°С) бета-железо переходит в магнитное альфа-железо, в точке Аr₁ (727°С) аустенит переходит в перлит и заканчивается перекристаллизация стали, а в точке Ar₀ цементит становится магнитным. Следовательно, доэвтектоидные стали имеют критические точки А₀, А₁, А₂ и А₃.

У заэвтектоидных сталей С > 0,8 % (сечение II на рис. 24). При температуре 210°С в точке Ас₀ цементит теряет магнитные свойства. Дальнейший нагрев вызывает превращение перлита в аустенит в точке Ас₁, температура – 727°С (начало перекристаллизации). Затем сечение пересекает линию диаграммы ES. На этой линии перекристаллизация заканчивается и происходит переход стали в однофазное аустенитное состояние. Точка на линии ES номера не имеет, она обозначается буквой m (Ас_m). Температура этой точки зависит от содержания углерода в стали. Следовательно, заэвтектоидные стали имеют три критические точки: А₀, А₁ и А_m.

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что эвтектоидные стали (углерода 0,8 %) будут иметь две критические точки: А₀ и А₁ (см. рис. 24).

Как указывал Д. К. Чернов, важнейшими значениями температуры (критическими точками) стали будут А₁, А₃ и А_m. От температуры нагрева до указанных значений зависят фазовый состав, структура, а следовательно, и свойства стали.

Итак, при охлаждении на линии AC (см. рис. 22) из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода в гамма-железе – аустенита. По линии CD из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Под этой линией в области CDF все сплавы будут двухфазными: жидкий раствор и кристаллы цементита первичного. В точке С диаграммы (1147°С), соответствующей концентрации 4,3 % углерода, где линии АС и CD пересекаются, происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита первичного с образованием мелкой смеси их кристаллов – эвтектики. Эвтектика в железоуглеродистых сплавах называется ледебуритом. Точка С диаграммы – эвтектическая, а линия ECF, проходящая через эту точку, – эвтектическая прямая, и в каждой точке этой прямой сплавы заканчивают первичную кристаллизацию образованием эвтектики. Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при первичной кристаллизации образуется эвтектика (ледебурит), называют чугунами. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми. В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита.

Чугуны, содержащие менее 4,3 % углерода, называются доэвтектическими, 4,3 % – эвтектическими, более 4,3 % – заэвтектическими.

Доэвтектические чугуны имеют в избытке гамма-железо, которое, растворяя углерод, образует аустенит (рис. 25, а). Поэтому в первую очередь в них образуются его кристаллы. Так будет до тех пор, пока жидкий сплав не приобретет эвтектический состав (4,3 % углерода); после этого он кристаллизуется на линии ЕС диаграммы состояния, образуя ледебурит. После окончания первичной кристаллизации эти сплавы состоят из кристаллов аустенита, окруженных эвтектикой, – ледебуритом.

У эвтектического чугуна, как у чистого металла кристаллизация начинается и заканчивается в точке С при постоянной и самой низкой для всех сплавов температуре – 1147°С. Его структура – мелкая смесь кристаллов аустенита и цементита – ледебурит.

Заэвтектические чугуны в избытке имеют углерод, который способствует образованию, в первую очередь, кристаллов цементита первичного. За счет выделения углерода состав жидкого сплава изменяется, и когда в нем останется 4,3 % углерода, он закончит кристаллизацию на линии СF при температуре 1147°C образованием ледебурита, структура его будет состоять из кристаллов цементита первичного и ледебурита (рис. 25, б).

а б

Рис. 25. Микроструктура белых чугунов (´ 500):

а – доэвтектический; б – заэвтектический

При охлаждении белых чугунов после окончания процесса кристаллизации в них будут происходить структурные и фазовые изменения. В доэвтектических чугунах в интервале температур от 1147 до 727°C вследствие понижения растворимости углерода от 2,14 до 0,8 % из аустенита будет выделяться цементит вторичный. На линии PSK при температуре 727°C произойдет эвтектоидное превращение аустенита в перлит и ледебурит будет состоять из перлита и цементита. Следовательно, структура этих чугунов будет перлит, цементит вторичный и ледебурит (см. рис. 25, а).

В эвтектических и заэвтектических чугунах в процессе охлаждения после первичной кристаллизации будет происходить только эвтектоидное аустенито-перлитное превращение на линии PSK при температуре 727°C. Входящий в структуру этих чугунов ледебурит также будет состоять из перлита и цементита (см. рис. 25, б).

4. классификация и маркировка

углеродистых сталей и чугунов

Углеродистые стали различают

по диаграмме состояний – доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтекто-идные;

по структуре – феррит + перлит, перлит, перлит + цементит вто­ричный;

по способу выплавки – выплавленные в конверторах (конверторные), мартеновских и электрических печах (мартеновские и электростали);

по содержанию углерода – низкоуглеродистые (менее 0,3 %), среднеуглеродистые (0,3 – 0,7 %) и высокоуглеродистые (0,7 % и более);

по степени раскисления и характеру затвердевания – спокойные (сп), полуспокойные (пс), кипящие (кп). Кипящие стали содержат минимальное ко­личество кремния (не более 0,07 %), дешевы, хорошо поддаются холодной листовой штамповке, но по сравнению со спокойными имеют высокий порог хладноломкости, и их нельзя использовать для изготовления ответственных конструкций в условиях Сибири и Се­вера. Порог хладноломкости – отрицательная температура, при которой металл переходит в хрупкое состояние;

по качеству – обыкновенного качества, качественные и высококачест­венные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Основными показателями для их разделения служат нормы содержания вредных примесей – серы и фосфора;

по назначению – конструкционные и инструментальные. Конструкци­онные стали предназначены для изготовления металлоконструкций, деталей машин и должны обладать высокой конструктивной прочностью (определен­ным комплексом механических свойств), иметь хорошие технологические свой­ства. Обычно они содержат не более 0,6 – 0,7 % углерода и имеют ферритно-перлитную структуру, т. е. являются сталями доэвтектоидными. Инструмен­тальные стали, содержащие не менее 0,7 % углерода, должны обладать высокой твердо­стью, прочностью и износостойкостью, предназначены для изготовления инст­рументов. Это стали эвтектоидные и заэвтектоидные, их структура – перлит или перлит и цементит вторичный.