53. Превращения в железе при нагревании и охлаждении

Внимательно всмотревшись в излом металла, ясно можно увидеть, что он представляет со­бой нагромождение (совокупность) отдельных кристал­лов (зерен), крепко сцепленных между собой. Мель­чайшей частицей металла, как и всякого другого веще­ства, является атом. В элементарных ячейках, из кото­рых состоят кристаллы железа, атомы расположены в определенном порядке. Это расположение изменяется в зависимости от температуры нагрева. При любой тем­пературе ниже 910° атомы в ячейках кристаллов распо­лагаются в виде куба, образуя так называемую кристал­лическую решетку альфа-железа. В этом кубе во­семь атомов расположены в углах решетки и один в центре.

При нагреве свыше 910° происходит перегруппиров­ка атомов и кристаллическая решетка представляет со­бою форму куба с четырнадцатью атомами; условно ее называют решеткой гамма-железа. При температуре 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решет­ку с девятью атомами, носящую название дельта-желе­зо. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами ато­мов и сохраняется до момента расплавления железа, т. е. до 1535° (Рис. 1).

Перестройка кристаллической решетки при медлен­ном охлаждении происходит в обратном порядке: дель­та-железо при 1390° превращается в гамма-железо, а гамма-железо при 898° превращается в альфа-железо.

Критические точки превращения.

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как

видно из этих кривых, в процессе перестройки одной ре­шетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении допол­нительного количества тепла при нагревании.

Темпера­турные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются Аrпри охлажде­нии и Ас при нагревании. В точках Аr2и Ас2,не проис­ходит перестройка атомной решетки, а изменяются маг­нитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения крити­ческие точки А с3и Аr3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит так­же перестройка атомной решетки, но температуры кри­тических точек не постоянны. Они зависят от содержа­ния углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

На рис. 3 представлена диаграмма состояния углеро­дистой стали при медленном охлаждении и нагревании.

Структура стали.

Структурой стали называется вну­треннее ее строение. Углерод в стали находится в виде химического соединения с железом, и это соединение на­зывается — цементит. Кроме цементита, в стали имеет­ся феррит, представляющий собой почти чистое железо. В зависимости от содержания углерода большая или меньшая часть феррита находится в механической сме­си с цементитом, образуя новую структуру — перлит. Если небольшой кусок металла прошлифовать, отполи­ровать и протравить в специальном реактиве, то под микроскопом можно различить структуры. Ниже приво­дится описание структур железоуглеродистых сплавов.

Аустенит представляет собою твердый раствор уг­лерода и других элементов в гамма-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в ау-стените — это 2%. Аустенит образуется при затвердева­нии жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.

В обычных сталях аустенит устойчив только лишь при температуре выше критических точек. При охлаж­дении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры. При комнатной тем­пературе аустенит полностью сохраняется в ряде марок нержавеющих сталей, в высокомарганцовистой стали и в незначительном количестве остается при закалке неко­торых марок инструментальной и конструкционной ста­лей.

Аустенит мягок, пластичен, тягуч, мало упруг. Твер­дость его по Бринелю находится в пределах 170—220.

Аустенит немагнитен, обладает невысокой электропро­водностью.

Феррит представляет собой твердый раствор угле­рода и других элементов в альфа-железе. Наибольшее со­держание углерода, которое может раствориться в фер­рите, это 0,04%. Феррит устойчив при температурах ни­же критической точки AC1. Он выделяется из аустенита при медленном охлаждении последнего ниже A6i. Фер­рит мягок, сильно тягуч. Твердость HB= 60—100. Фер­рит магнитен до 768°. Свыше этой температуры он те­ряет магнитные свойства.

Цементит представляет собой химическое соедине­ние железа с углеродом Fe3C—карбид железа. Цементит содержит углерода 6,67%. Выделяется из жидкого и твердого раствора при медленном охлаждении. Цемен­тит весьма тверд и хрупок. Твердость его НB= 800—820. Он магнитен до 210°. Выше этой температуры цементит теряет магнитные свойства.

Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при медленном его охлаждении. Температура превращения аустенита в перлит 723°С. При весьма медленном пере­ходе через эту температуру цементит образуется в виде зерен (глобулей), и тогда перлит называется зерни­стым. При более быстром охлаждении цементит приоб­ретает форму пластинок, и такой перлит называется пластинчатым. При весьма быстром охлаждении в ре­зультате значительного переохлаждения аустенита вме­сто перлита получаются другие структуры, о которых речь будет ниже.

Перлит магнитен, прочен и пластичен. Твердость его находится в пределах от 160 до 230 кг/мм2 по Бринелю. При обработке резанием наиболее чистую поверх­ность дает структура зернистого перлита.

Мартенсит образуется в результате весьма бы­строго охлаждения (закалки) аустенита. При быстром охлаждении успевает произойти перестройка кристалли­ческой решетки гамма-железа в решетку альфа-железа, выделение же углерода в карбид железа не успевает произойти, и он весь остается растворенным в решетке альфа-железа. Так как нормально альфа-железо может растворить в себе не более 0,04% углерода, то такой раствор называют пересыщенным. Он отличается весь­ма большой твердостью (свыше Rc= 60) и хрупкостью. Следует указать, что решетка альфа-железа, получаю­щаяся в результате закалки, имеет искаженную форму. Так, размеры ее граней не одинаковы — в одном на­правлении они удлинены за счет других (см. рис. 4). Такая решетка называется тетрагональной. Чем больше в стали углерода, тем больше тетрагональность решет­ки и тем более велики внутренние напряжения. При на­гревании до температур 100—200° тетрагональность мартенсита уменьшается, форма кристаллической его решетки приближается к форме правильного куба, и вместе с этим уменьшаются внутренние напряжения. Мартенсит магнитен.

Троостит представляет собой высокодисперсную (мелкораздробленную) смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с замедленной против закалки скоростью или в результате нагрева (отпуска) мартенсита в пределах 250—400°.

При нагре­ве закаленной стали происходит постепенное выделение углерода из кристаллической решетки с образованием карбидов. Троостит менее прочен, более пластичен, чем мартенсит. Твердость его НB330—400. При охлажде­нии аустенита в горячих средах в интервале 250—400° (изотермическое превращение аустенита) происходит образование игольчатого троостита, несколько более прочного, чем обычный троостит.

Сорбит представляет собой дисперсную смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с небольшой скоростью или при нагреве (от­пуске) мартенсита до 400—650°. Карбиды сорбита бо­лее крупные, чем троостита. Сорбит пластичен, вязок и магнитен. Твердость НВ 270—320.

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он содержит углерода 4 3% Образуется ледебурит при затвердевании жидкого сплава с содержанием углерода свыше 2%. Ледебу­рит хрупок.

На рис. 5. представлены фотоснимки структур стали с различным содержанием углерода.

Структура стали с содержанием углерода 0,83% со­стоит из сплошного перлита и называется эвтектоидной; при меньшем содержании углерода структура ста­ли состоит из перлита и феррита и носит название доэвтектоидной, а при большем содержании углерода — из перлита и цементита и называется заэвтектоидной. Температура 723°, при которой перлит переходит в аустенит, также называется критической и обозначает­ся Ас.

Для того чтобы доэвтектоидную и эвтектоидную сталь полностью отжечь, нормализовать или закалить, их нужно нагреть до такой температуры, при которой они перешли бы в аустенитное состояние.

Рис. 5. Микроструктура отожженной углеродистой стали:

а - с содержанием углерода -0,1%

б - с содержанием углерода -0,85%

в - с содержанием углерода -1,1%

Превращения, происходящие в стали при нагрева­нии.

По диаграмме на рис. 3 можно проследить за изменениями структуры трех разных марок стали при на­гревании:

1. Сталь с содержанием углерода 0,83%. Структура стали представляет собой перлит. При температуре 723° в точке Aс1 перлит переходит в аустенит.

2. Сталь с содержанием углерода 0,4%. Структура стали представляет собой перлит и феррит. При темпе­ратуре 723° в точке К1 перлит переходит в аустенит, и по мере повышения температуры происходит растворе­ние свободного феррита в аустените. При пересечении линии GSв точке К2 закончится растворение феррита и структура будет полностью состоять из аустенита. Для этой стали точка К1на диаграмме будет нижней критической точкой Ас1,а К2— верхней критической точкой Ас1,.

3. Сталь с содержанием углерода 1,2%. Структура стали представляет собой перлит и цементит. При тем­пературе 723° в точке Piперлит переходит в аустенит, и при дальнейшем повышении температуры происходит постепенное растворение цементита в аустените. При пересечении линии SEв точке Р2 это растворение за­кончится. Для этой стали точка Р1 явится нижней кри­тической точкой Ас1,, а точка ? 2 — верхней критической точкой, которая для заэвтектоидных сталей обозна­чается Асm.

Линия на диаграмме, обозначенная буквами GS, со­ответствует окончанию растворения феррита в аустените в доэвтектоидных сталях, а линия SEсоответствует окончанию растворения цементита в аустените в заэв­тектоидных сталях.

Следует указать, что заэвтектоидные стали при опе­рациях термической обработки не нагревают выше ли­нии Аcт(такая высокая температура нагрева приведет к перегреву и ухудшению свойств стали), а ограничи­ваются нагревом выше первой критической точки ACl, что полностью обеспечивает получение необходимых свойств.

Превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении.

В сталях, нагретых до аустенитного со­стояния, при весьма медленном охлаждении произойдут обратные превращения, а именно: а) в стали с со­держанием углерода 0,83% аустенит превратится в пер­лит;

б) в стали с содержанием углерода 0,4% сначала из аустенита начнет выделяться феррит, а затем в райо­не температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит и

в) в стали с содержанием углерода 1,2% сначала из аустенита выделится цементит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит пре­вратится в перлит.

Даже при весьма медленном охлаждении темпера­тура распада аустенита не совпадает с теми температу­рами, при которых аустенит образовался при нагрева­нии. Чем скорость охлаждения больше, тем больше становится гистерезис, т. е. разница между критическими температурами (точками) при нагревании и ох­лаждении.

Превращения, происходящие в стали при быстром охлаждении.

Как указывалось выше, при быстром ох­лаждении не успевает произойти превращение аусте­нита в перлит с выделением избыточного феррита или цементита, а в зависимости от скорости охлаждения аустенит превращается в новые структуры - мартен­сит, троостит или сорбит. Сталь с этими структурами отличается от сталей со структурами перлита и ферри­та повышенной твердостью, прочностью и уменьшенной пластичностью. Если углеродистую сталь, нагретую выше критических температур, охладить очень быстро, то аустенит превратится в мартенсит и это превращение начнется лишь при температуре около 200°. При не­сколько меньшей скорости охлаждения образуется структура троостит, а при еще меньшей — сорбит.

В производственных условиях при охлаждении угле­родистой инструментальной стали в воде образуется мартенсит, при охлаждении в масле — троостит и при охлаждении в струе воздуха -сорбит. На рис. 6 по­казаны микроструктуры закаленной стали.

Рис. 6. Микроструктура закаленной стали:

а — игольчатый мартенсит;

б — сорбит.

В легированных сталях, благодаря присутствию спе­циальных элементов, для образования мартенсита не требуется столь большой скорости охлаждения, как для углеродистых сталей, и мартенсит образуется при охлаждении в масле, а для быстрорежущих сталей — и при охлаждении на воздухе.

Троостит и сорбит можно получить не только в ре­зультате ускоренного охлаждения, нои путем нагрева закаленной стали, имеющей структуру мартенсита, до температуры ниже Aс1, т. е. путем отпуска стали. В этом случае троостит получается при нагреве стали до 400°, а сорбит—при нагреве до 650°. При нагреве до промежуточных температур получаются смешанные структуры: при нагреве от 250—400° — мартенсит и троостит и при нагреве от 400—650° — троостит и сор­бит. В производственных условиях троостит и сорбит получают путем отпуска закаленной стали.

Превращения, происходящие в стали при охлаждении в среде, имеющей температуру выше 200° (изотерми­ческое превращение).

Если деталь, нагретую выше критической точки, поместить в среду, имеющую температуру от 700 до примерно 200°, и выдержать в ней до выравнивания температуры по всему сечению, то аустенит превратит­ся в ту структуру, которая соответствует превращению при данной температуре.

О поведении стали при изотермической обработке, выборе температуры и времени выдержки судят по кривым изотермического превращения, построенным для разных марок стали.

Рис. 7. Диаграмма изотермического превращения аустенита угле­родистой стали.

На рис. 7 дан вид диаграммы изотермического пре­вращения в стали. На горизонтальной оси отложено время начала и конца превращения, а на вертикаль­ной— температура, при которой оно происходит. Линия А с соответствует переходу аустенита в перлит, а ли­ния Мн — образованию мартенсита из аустенита. На кривой I начинаются, а на кривой II заканчиваются структурные превращения.

Если углеродистую инструментальную сталь, нагре­тую до 800°, поместить в масло, расплавленную соль или щелочь при температуре 250°, в ней образуется игольчатый троостит с высокой твердостью Rc=45—55. Если эту же сталь охладить в среде, имеющей темпе­ратуру свыше 600°, в ней образуется перлит и такая сталь легко обрабатывается на станках. При охлажде­нии стали в среде с промежуточными температурами образуются структуры троостита и сорбита с соответ­ствующей твердостью.

Изотермический отжиг нашел большое применение при термической обработке инструментальных сталей как процесс, резко уменьшающий время по сравнению с другими видами отжига.

Изотермическая закалка в инструментальном деле применяется редко из-за недостаточной для инструмен­та твердости, достигаемой при этом процессе.