§ 6. Практическое применение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов

Диаграмму состояния сплавов системы железо — цементит применяют для определения теплового режима термической обработки сплава, тем­пературы нагрева металла под ковку и температурного предела ковки.

Термическая обработка заключается в том, что нагревом металличе­ских сплавов до определенной температуры, выдержкой при этой темпе­ратуре и последующим быстрым или медленным охлаждением вызывают желаемое изменение свойств сплава.

Термическая обработка железоуглеродистых сплавов имеет ряд разно­видностей, основанных на том, что неустойчивая при низких температу­рах аустенитная структура в зависимости от степени охлаждения сплава превращается в структуры, обладающие отличными от аустенита свойствами. Продуктами распада аустенита являются мартенсит, троостит, сорбит и перлит.

Мартенсит — начальная стадия распада твердого раствора углерода в f-железе (аустенит) представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Мартенсит характерен игольчатым строением, высо­кой твердостью (Н_в = 600 - 700), большой хрупкостью и наличием внут­ренних напряжений. Эта структура образуется при больших скоростях охлаждения (180—2007сек.). Мартенсит по своей природе неустойчив и при нагреве выше 70° стремится перейти в другие структуры.

Троостит, являясь продуктом распада аустенита, представляет собой смесь феррита и цементита очень высокой степени дисперсности. Твердость троостита. Н_в =350-500. Эта структура образуется при ско­рости охлаждения около 807сек.

Сорбит представляет собой распавшийся аустенит с едва заметным обособлением зерен феррита и цементита. Твердость сорбита Н_в = 250 - 350. Эта структура образуется при скоростях охлаждения менее,507сек. По сравнению с трооститом сорбит имеет более высокую вязкость, а по сравнению с перлитом — большую твердость.

Перлит представляет собой распавшийся аустенит с обособленными зернами феррита и цементита. Эта структура образуется при скорости охлаж­дения около 40 /сек.

Таким образом, путем изменения режима термической обработки можно получить разные физико-механические свойства и структуры стали. К опе­рациям термической обработки относятся отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг — фазовая перекристаллизация — заключается в нагреве обыч­ной доэвтектоидной стали выше линии А₃ (фиг. 6) с последующим медлен­ным охлаждением. Если нагреть сталь выше А₁, но ниже А₃, то полной перекристаллизации не произойдет. Такая термическая обработка называется неполным отжигом. При отжиге состояние стали приближается к структурно равновесному состоянию, т. е. структурой отжига является либо феррит и перлит (доэвтектоидные стали), либо перлит и цементит (заэвтектоидные стали). Охлаждение стали на воздухе после нагрева ее выше А₈ будет первым шагом к отклонению. от равновесного структурного состояния. Такая терми­ческая обработка называется нормализацией.

Отжиг применяют для снижения твердости и иногда повышения вяз­ кости стали, улучшения ее обрабатываемости, снятия внутренних, напря­жений, а также для устранения структурной неоднородности и изменения физических свойств.

Нормализациюзацию применяют для размельчения зерна основной металлической массы металла и повышения; ее прочности.

Температурные пределы нагрева стали для отжига и нормализации, нанесенные на диаграмму состояния системы железо — цементит, приве­дены на фиг. 6.

Фиг. 6. Температурные пределы полного

отжига, неполного отжига, высокого

отпуска и нормализации

Закалкой называется нагрев стали выше критической точки (фиг. 7) с последующим быстрым охлаждением. В случае медленного охлаждения аустенит распадается на механическую смесь феррит — це­ментит. С увеличением скорости охла­ждения аустенит переохлаждается до бо­лее низких температур, и ферритно-цементитная смесь становится все более мелкозернистой, что повышает ее твер­дость.

Полученные продукты превращения, состоящие из мелкораздробленных частиц феррита и цементита, называются сор­битом и трооститом (первая смесь более грубая, вторая — более тонкая). Если же скорость охлаждения была достаточно велика, то аустенит превращается в мар­тенсит.

Закалку на троостит или сорбит, т. е. на ферритно-цементитную смесь, можно считать переходной формой обработки между отжигом и нормализацией, с одной стороны, и закалкой — с другой. Непол­ная закалка происходит в случае, если сталь нагревали до температуры лежащей выше точки А₁ но ниже точки А₃ . Фиг. 7Участок диаграммы

состояния железо углерод.

Отпуском называется нагрев за­каленной стали до температуры ниже А₁ с последующим медленным охла­ждением.

Отпуск служит для повышения вязкости закаленной стали при сохра­нении достаточно высокого предела прочности, уменьшения внутренних напряжений и получения более устойчивых структур. Температурные пре­делы нагрева для отпуска приведены на диаграмме состояния (фиг. 6).

Обработку давлением (ковку, горячую штамповку, прокатку) произво­дят, когда металл находится в нагретом состоянии. Сталь нагревают до температуры на 100—150° ниже линии солидуса (диаграмма на фиг. 7).

При более высоких температурах возможен перегрев, что вызывает укрупнение размера зерна, и повышение хрупкости стали. Перегрев можно исправить термической обработкой (отжигом, нормализацией).

При нагреве стали до температуры, соответствующей линии солидуса (АЁ), происходит расплавление металла в пограничных более богатых углеродом зонах и окисление этих границ, в результате чего связь между отдельными зернами нарушается, и механическая прочность в этом случае катастрофически падает. Такой нагрев называют пережогом, при­чем его нельзя исправить какой-либо последующей обработкой.

Обработку давлением производят при температуре на 50—70°выше линии А₃ (фиг 7). При более низкой температуре обработки давлением возможен наклеп металла, вызывающий упрочнение и искажение его структуры.

РАЗДЕЛ

МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Металлургией называется наука об извлечении металлов из природных соединений и дальнейшей обработке их с целью придания металлу опре­деленной формы и необходимых свойств.