Глава 4. Термическая обработка чугунов и сталей

4.1. Основные понятия и определения

Металлические материалы и сплавы имеют кристаллическое строение. Всего имеется семь разновидностей кристаллических решеток, та или иная форма решетки оказывает существенное влияние на физико-механические свойства металла.

Полиморфизм – это способность металлов образовывать различные типы кристаллических решеток в зависимости от температуры и давления. При этом происходят изменения свойств металлов. Это явление широко используют в технике для улучшения обрабатываемости металлов, снятия остаточных напряжений, при термической обработке и в других процессах.

Полиморфизмом обладает примерно половина всех металлов. Наибольшее число полиморфных модификаций: шесть – у плутония, четыре – у марганца. У семи металлов, в том числе урана, три модификации. Существует двадцать девять металлов, имеющих по две кристаллические модификации. В число диморфных металлов входят широко используемые железо, титан, олово (табл. 10).

Полиморфизм железа сыграл выдающуюся роль в истории человеческой цивилизации: ведь именно благодаря ему сталь можно подвергать закалке, а широкое использование закаленной стали означало переход от бронзового века к железному.

Полиморфные модификации обозначают греческими буквами α, β и т.д. по возрастанию температурного интервала их существования (например, α –Fе и α –Ti).

Таблица 10. Металлы с полиморфным превращением

Металл	Тип решетки	Температура превращения, °С
Ca	ГЦК → ГП	450
Ce	ГП → ГЦК	477
Zr	ГП → ОЦК	882
Ti	ГП → ОЦК	882
Fe	ОЦК → ГЦК → ОЦК	911, 1 392
Примечание:ГЦК – гранецентрированная кубическая решетка, ОЦК – объемно центрированная кубическая решетка, ГП – гексагональная плотноупакованная кубическая решетка.

Эти типы кристаллических решеток представлены на рис. 13.

Рис. 13. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов

И схемы упаковки в них атомов:

а– гранецентрированная кубическая;б– объемно центрированная

кубическая; в– гексагональная плотноупакованная решетка

Система – группа тел, выделяемых для наблюдения и изучения. Принято системами называть металлы и металлические сплавы. В технике практически повсеместно используются не чистые металлы, а сплавы.

Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Сплав – твердый раствор нескольких металлов. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Строение металлического сплава зависит от того, в какое взаимодействие вступают компоненты А и В, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов.

Фаза – однородная часть сплава, отделенная от других частей поверхностью раздела. Фаза может быть жидкой или твердой, но обязательно однородной по химическому составу и свойствам.

Растворы после кристаллизации существуют в следующих формах – механическая смесь, химическое соединение, твердый раствор.

Механическая смесь образуется, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Это означает, что компоненты значительно различаются по строению и свойствам. В таких сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов (рис. 14).

Рис. 14. Схема микроструктуры механической смеси

Химическое соединение – индивидуальное вещество, в котором атомы одного или различных элементов соединены между собой химической связью.

В сплавах химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам. При этом сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Особенности этих сплавов следующие:

- постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов;

- образуется специфическая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рис. 15);

Рис. 15. Кристаллическая решетка химического соединения

- ярко выраженные индивидуальные свойства;

- постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов.

Твердые растворы – сплавы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.

Характерной особенностью твердых растворов является наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов при сохранении типа решетки растворителя. Твердый раствор состоит из однородных зерен (рис. 16).

Рис. 16. Схема микроструктуры твердого раствора

По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы с неограниченной и ограниченной растворимостью компонентов.

При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в его кристаллическую решетку.

Для образования растворов с неограниченной растворимостью должны выполняться следующие условия:

- изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов;

- близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8-13 %;

- близость физико-химических свойств, подобных по строению валентных оболочек атомов.

При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела. При дальнейшем увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси.

По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы замещения, внедрения и вычитания.

В твердых растворах замещения в кристаллической решетке растворителя часть его атомов замещена атомами растворенного элемента (рис. 17, а). Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

а)б)

Рис. 17. Кристаллическая решетка твердых растворов:

 Растворы замещения (а) и внедрения (б); А и В – компоненты раствора

При образовании растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение.

Твердые растворы внедрения (см. рис. 17, б) образуются внедрением атомов растворенного компонента в поры кристаллической решетки растворителя.

Образование таких растворов, возможно, если атомы растворенного элемента имеют малые размеры. Таковыми являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева: углерод, водород, азот, бор. Размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Массовая доля растворенного компонента в таких растворах не превышает 2-2,5 %.

Твердые растворы вычитания или растворы с дефектной решеткой образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами, узлов в решетке.

К химическому соединению добавляют, один из входящих в формулу элементов, его атомы занимают нормальное положение в решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются незанятыми.

Переход металла или сплава из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от массовой доли растворенного компонента и температуры (рис. 18).

Рис. 18. Диаграмма состояния

Диаграмма состояния показывает устойчивое состояние, которое при данных условиях обладает минимумом свободной энергии. Поэтому такую диаграмму называют диаграммой равновесия: она показывает, какие равновесные фазы существуют при данных условиях.

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа. В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус.

По кривым охлаждения строят диаграмму состава в координатах: по оси абсцисс – массовая доля компонентов, по оси ординат – температура.

Шкала массовой доли показывает содержание компонента В. Основными линиями являются линии ликвидус (1) и солидус (2), а также линии. соответствующие фазовым превращениям в твердом состоянии (3, 4).

По диаграмме состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.

Железо – серебристый металл с плотностью 7,86 г/см³ и температурой плавления 1539 °С. Имеет низкую твердость (80 НВ) и прочность _В = 250 МПа, но высокую пластичность δ = 50 %. В твердом состоянии железо находится в двух модификациях: α-железо, существующее при температуре от 1539 до 1400 и ниже 910 °С, и γ-железо в интервале температур 910-1392 °С. Плотность γ-железа выше 8 г/см³. Разница между этими модифика­циями заключается в строении кристаллической решетки: для α–железа это объемно центрированный куб, а для γ-железа – гранецентрированный куб. В чистом виде железо не применяется и практически не встречается.

Углерод – неметаллический элемент с плотностью 2,25 г/см³ и температу­рой плавления 3500 °С. В сплавах с железом углерод обычно существует в виде графита со сложной решёткой.

Железо с углеродом образует следующие соединения:

- цементит (карбид железа) – химическое соединение Fe₃Cс массовой долей углерода 6,67 %, неустойчивое при высоких температурах. Твердость цементита очень высока (70 HRC), он имеет большое сопротивление деформации, но низкую пластичность.

- феррит – твердый раствор внедрения углерода в α -железо с минималь­ной массовой долей углерода: 0,02 % при 727 °С и 0,06 % при нормальной тем­пературе.

- аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо с макси­мальной массовой долей углерода: 2,14 % при 1147°С и 0,8 % при 727 °С . При температуре ниже 727 °С аустенит или превращается в феррит при низком со­держании углерода или распадается на цементит и феррит, образуя перлит, при высоком содержании углерода.

Графит – свободно выделившийся углерод, наблюдаемый в сплавах с массовой долей углерода более 2 % (чугунах). Имеет слоистое строение и низкую твердость.

Перлит – эвтектоид, состоящий из двух фаз: феррита и цементита.

Эвтектоид – сплав, который кристаллизуется при постоянной темпера­туре, самой низкой из возможных для этой системы. Перлит кристаллизуется при температуре 727 °С и ниже в результате разложения аустенита на феррит и цементит. Массовая доля углерода в нём постоянна и равна 0,8 %.

Все сплавы, с массовой долей углерода до 0,8 %, называются доэвтектоидными сталями. Их структура состоит из феррита и перлита.

Сплав железа с массовой долей углерода 0,8 % называется эвтектоидной сталью и имеет перлитную структуру.

Сплав с массовой долей углерода от 0,8 до 2,14 % называется заэвтектоидной сталью со структурой из перлита и цементита. Все эти структуры изображены на рис. 19-21.

Рис. 19. Микроструктура сплавов:

а – доэвтектоидного, б – эвтектоидного, в – заэвтектоидного

Рис. 20. Микроструктуры сталей:

а – доэвтектоидная сталь (Ф+П); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит);

в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь (П+Ц₂)

Переход сплавов из жидкого состояния в твердое и обратно принято изображать графически в виде диаграммы состояния сплавов. Диаграмма состояния «железо – углерод» дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов: сталей и чугунов.

Рис. 21. Микроструктуры белых чугунов:

а – доэвтектический белый чугун (П+Л+Ц₂); б – эвтектический белый чугун (Л);

в – заэвтектический белый чугун (Л+Ц₁)

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

Диаграмма состояния «железо–углерод» должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит Fe₃C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с массовой долей углерода до 5 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения - цементита с массовой долей углерода 6,67 %.

Фрагмент диаграммы состояния «железо–углерод» (стальной угол) приведен на рис. 22.

Линия АВСD – ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (δ), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.

Линия AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается металлизация феррита (δ). На линии HJB при постоянной температуре 1499 ^oС идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (δ), в результате чего бразуется аустенит:

L +Ф(δ) → A (9)

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147 ^oС идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость,с массовой долей углерода 4,3 %, превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

L → эвт (А + Ц₁) (10)

Эвтектика системы «железо – цементит» называется ледебуритом (Л) (по имени немецкого ученого Ледебура) и содержит 4,3 % (по массе) углерода.

При температуре ниже 727 ^oС в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).

По линии HN начинается превращение феррита (δ) в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита (δ) в аустенит заканчивается.

По линии GS происходит переход аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

По линии МО при постоянной температуре 768 ^oС имеют место магнитные превращения.

По линии PSK при постоянной температуре 727 ^oС идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, с массовой долей углерода 0,8 %, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

А_0,83 → эвт (Ф + Ц₂) (11)

По механизму данное превращение подобно эвтектическому, но протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы «железо – цементит» называется перлитом (П) и содержит 0,8 % (по массе) углерода. Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме в зависимости от условий образования.

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы «железо – цементит», т.е. критические точки, имеют условные обозначения. Они обозначаются буквой А (от французского arret – остановка):

А1 – линия PSK (727 °С) – превращение П А;

A2 – линия MO (768 °С) – магнитные превращения;

A3 – линия GOS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф А;

A4 – линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение А ↔ Ф(δ);

Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении фазовые превращения происходят при различных температурах, для разделения этих процессов вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву «с», т.е А_с1, при охлаждении – букву «r», т.е. А_r1.

В результате превращения углерод может не только химически взаимодействовать с железом, но и выделяться в элементарном состоянии в форме графита. Жидкая фаза, аустенит и феррит могут находиться в равновесии и с графитом.

При высоких температурах цементит разлагается с выделением графита, поэтому диаграмма состояния «железо–цементит» является метастабильной, а диаграмма «железо–графит» – стабильной. Процесс образования графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией.