Диаграмма состояния железо-цементит. Кривые охлаждения сплавах железа с углеродом.

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в десять раз.

Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.

Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – . Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до , то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего углерода.

Термическая обработка сталей. Виды термической обработки.

Термическая обработка металлов и сплавов — процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении.

Виды термической обработки

Среди основных видов термической обработки следует отметить:

Отжиг (гомогенизация и нормализация). Целью является получение однородной зёренной микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типа мартенсита.

Дисперсионное твердение (старение). После проведения отжига проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.

Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки зависит от материала.

Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.

Отжиг и нормализация сталей.

Отжиг и нормализация

Отжиг — процесс термической обработки, при котором нагревом до или выше температуры в интервале превращений, продолжительной выдержкой при этой температуре и последующим медленным охлаждением с заданной скоростью достигается устойчивая (равновесная) структура стали с повышенной пластичностью, вязкостью и без внутренних напряжений. На практике применяются различные виды отжига. Отжиг рекристаллизационный (отжиг 1-го рода) применяется для изделий при холодном их деформировании — при производстве холоднокатаной стальной ленты и деталей глубокой вытяжки с целью восстановления мелкозернистой, равновесной, мягкой и вязкой структуры наклепанного металла. Рекристаллизационный отжиг осуществляется путем нагрева стали до температуры 650—700°С (ниже критической точки Ая), выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения. Полный отжиг (отжиг 2-го рода, или фазовой перекристаллизации) осуществляется путем нагрева стальных деталей ("изделий) до температуры на 30—50°С выше критической точки выдержки при этой температуре до полного превращения структуры в аустенит и последующего медленного охлаждения до температуры 500—600°С. Скорость охлаждения для углеродистых сталей должна быть 50—100°С, для легированных — 20—60°С в час. Полный отжиг является нормальным для доэвтектоидных сталей (содержащих до 0,8% углерода), а для заэвтектоидных сталей он неприменим, ибо делает их хрупкими. Неполный отжиг производится нагревом стали выше критической точки Aci, но ниже точки (в интервале между линиями GSE и PSK, см. рис. 1) и последующим медленным охлаждением. Неполный отжиг применяется для заэвтектоидной стали или сортового проката и поковок из доэвтектоидной стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабаты-ваемости резанием. Отжиг изотермический осуществляется путем нагрева до нормальной . температуры отжига, медленного охлаждения до температуры немного ниже критической точки Аг (700—680°С), выдержки при этой температуре до полного превращения аустенита и последующего охлаждения на воздухе. Такой отжиг по результатам изменения физико-механических свойств аналогичен полному отжигу, но продолжительность операции резко сокращена. Он применяется исключительно для легированных сталей. Отжиг светлый (нормализация светлая) производится по любому из указанных выше тепловых режимов, но с применением защитных атмосфер или в печах с частичным вакуумом.. Светлый отжиг применяется для холоднокатаной ленты, прутков, проволоки, деталей холодной штамповки, а также ;1ля защиты поверхности деталей от окисления и обезуглероживания. Нормализация — разновидность полного отжига, но отличается от последнего тем, что охлаждение изделий после выдержки производится на спокойном воздухе. Осуществляется она путем нагревания стали выше критической точки на 30—50°С, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на спокойном воздухе (скорость охлаждения 150—250°С в час). Нормализация применяется для получения мелкозернистой однородной структуры металла с малым и средним содержанием углерода, устранения наклепа, снятия внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости резанием и подготовки детали для цементации.

Закалка сталей.

Закалка стали. Наиболее широкая группа материалов, подвергаемых Закалка, — стали. В соответствии с диаграммой состояния железо-термодинамически устойчивым состоянием стали при температурах, расположенных выше линии GSE диаграммы состояния, является аустенит — раствор углерода в g-железе (см. Железоуглеродистые сплавы); ниже линии PSK — смесь феррита (раствора углерода в a-железе) и цементита (карбида железа Fe3C). При медленном охлаждении от температур, расположенных выше линии PSK, аустенит в соответствии с диаграммой состояния должен распадаться на феррит и цементит. Скорость этого превращения меняется с температурой и при достаточно низкой температуре становится настолько малой, что аустенит практически не распадается. При дальнейшем снижении температуры аустенит превращается в мартенсит, появление которого в структуре стали приводит к резкому увеличению твёрдости, прочности, магнитного насыщения и к снижению пластичности. Цель Закалка стали — получение полностью мартенситной структуры (без продуктов распада аустенита), т. е. подавление при быстром охлаждении распада аустенита и сохранение его вплоть до температур, при которых начинается мартенситное превращение. Минимальная скорость охлаждения, достаточная для предотвращения распада аустенита, носит название критической скорости Закалка стали.В практике термической обработки металлов для получения металлов, в частности сталей, с определенными свойствами применяют различные виды Закалка В зависимости от условий нагрева различают Закалка полную и неполную. При полной Закалка быстрое охлаждение стали производят после нагрева её до температур, лежащих выше линии GSE. При этом сталь полностью переводится в аустенитное состояние. При неполной Закалка (главным образом инструментальных сталей) металл нагревают до температур выше линии PSK; после охлаждения в структуре могут сохраняться нерастворившиеся при нагреве т. н. избыточные фазы (феррит или цементит и более сложные карбиды). В зависимости от условий охлаждения различают Закалка изотермическую, ступенчатую и др. При изотермической Закалка сталь нагревают до температур выше линии GSE (полная Закалка) или выше PSK (неполная Закалка), затем быстро охлаждают до температур ниже линии PSK и дают т. н. изотермическую выдержку, при которой происходит превращение аустенита в др. структуры (перлит, бейнит). В этом случае свойства окончательных продуктов определяются температурой изотермической выдержки: твёрдость и прочность материала возрастают по мере снижения температуры. При ступенчатой Закалка охлаждение с большой скоростью производят до температуры, несколько превышающей температуру мартенситного превращения, и дают выдержку, необходимую для выравнивания этой температуры по всей толщине изделия (ступень), а затем охлаждение ведут медленно до образования в структуре мартенсита. Внешние факторы, главным образом закалочная среда (вода, масло, расплавленная соль) и давление, также определяют результаты Закалка Закалённая сталь отличается большой хрупкостью, поэтому после Закалка её обычно подвергают отпуску. При одной и той же твёрдости сталь, подвергнутая. Это определяет чрезвычайно широкое использование.

Отпуск закаленных сталей.

Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите. Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности. При одинаковом химическом составе и одинаковой твердости сталь с точечной структурой имеет значительно более высокое относительное сужение y и ударную вязкость а н, повышенное удлинение d и предел текучести s т по сравнению со сталью с пластинчатой структурой. Мартенсит закалки имеет неустойчивую тетрагональную решетку, а мартенсит отпуска – устойчивую центрированную кубическую решетку альфа-железа. Отпуск разделяют на низкий, средний и высокий в зависимости от температуры нагрева. Для определения температуры при отпуске изделия пользуются таблицей цветов побежалости (Таблица 2.). Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета - от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220oС; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали. При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300 ° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях. Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали. Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330 ° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого (табл.). Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес. При среднем (нагрев в пределах 300-500 ° ) и высоком (500-700 ° ) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. Происходящее при этом изменение свойств стали можно проследить по кривым диаграммы.При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание мех-их св-тв, повышение прочность, пластичность и вязкость, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит называют кузнечных штампов, пружин, рессор.