Эвтектоидное превращение в сталях
Обновлено: 15.05.2024
Эвтектоидное превращение в равновесных условиях происходит в большинстве сталей, в двухфазных алюминиевых бронзах, во многих сплавах на основе титана. Принципы, лежащие в основе термической обработки для всех сплавов этой группы, одни и те же, однако компоненты сплавов вносят ряд особенностей в развитие фазовых превращений. Поэтому принято раздельно изучать превращения в сплавах с разной металлической основой.
Выделим основные фазовые превращения, влияющие на структуру и свойства сталей:
а) преврашения при нагреве до аустенитного состояния фазовая перекристаллизация; б) превращения аустенита при различных степенях переохлаждения; в) превращения при нагреве закаленных сталей.
Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния.
В зависимости от условий нагрева можно получить зерно аустенита различного размера. От размера зерна аустенита в большой мере зависят свойства продуктов превращения.
Продукты преврашения мелкозернистого аустенита, как равновесные, так и метастабильные, имеют более высокие пластичность и вязкость и меньшую чувствительность к концентраторам напряжений, чем соответствующие продукты превращения крупнозернистого аустенита.
Зарождение кристаллов при распаде аустенита происходит преимущественно на границах зерен, поэтому чем мельче зерно аустенита, тем больше возникает зародышей и тем мельче будут вновь образующиеся зерна.
Рассмотрим превращения, происходящие при нагреве в сталях с исходной равновесной структурой: феррит и перлит в доэвтектоидных сталях, перлит в эвтектоидной стали, перлит с
вторичным цементитом в заэвтектоидных сталях.
При промышленных скоростях нагрева при отжиге или закалке перлит вплоть до температуры сохраняет пластинчатое строение.
При достижении температуры в сталях начинается превращение перлита в аустенит. Кристаллы аустенита зарождаются преимущественно на межфазных поверхностях раздела феррита с цементитом (рис. 5.7). Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного а -перехода и растворения в кристаллов цементита. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, поэтому по завершении превращения аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется определенное время.
Поскольку в каждой перлитной колонии зарождается несколько центров кристаллизации аустенита (см. схему на рис. 5.7), превращение при температуре сопровождается измельчением зерна стали. Эта очень важная особенность фазовой перекристаллизации широко используется в практике термической обработки стали - отжиге, закалке и других видах обработки, связанных с нагревом стали до аустенитного состояния.
Число зарождающихся при температуре кристаллов аустенита возрастает с увеличением дисперсности перлита и скорости нагрева. При высоко-скоростном нагреве, например, при нагреве ТВЧ, можно получить чрезвычайно мелкие зерна аустенита.
В стали эвтектоидного состава перекристаллизация заканчивается после завершения превращения перлита в аустенит. В до- и заэвтектоидных сталях после перехода перлита в аустенит в структуре сохраняются избыточные структурные составляющие - феррит и цементит соответственно.
В доэвтектоидных сталях при нагреве от до происходит превращение избыточного феррита в аустенит, а в заэвтектоидных сталях при нагреве от до - растворение продуктов распада избыточного цементита в аустените. Оба процесса сопровождаются диффузией углерода, приводящей к выравниванию концентрации и небольшому укрупнению зерен аустенита.
Повышение температуры стали в однофазной аустенитной области приводит к дальнейшему росту зерен аустенита - происходит процесс собирательной рекристаллизации.
Скорость роста аустенитных зерен при перегреве выше температур и неодинакова у разных сталей; она в большой мере зависит от способа раскисления стали и от наличия некоторых легирующих элементов.
В зависимости от скорости роста аустенитных зерен различают стали природно-крупнозернистые и природномелкозернистые.
Рис. 5.7. Схема зарождения и роста кристаллов при температуре
называют стали, в которых по мере превышения температуры выше или кристаллы аустенита быстро укрупняются; таковы стали, раскислявшиеся в процессе выплавки ферросилицием и ферромарганцем.
Природно-мелкозернистыми называют стали, в которых при нагреве до 1000-1100 °С кристаллы аустенита растут с малой скоростью; к таковым относятся стали, дополнительно раскислявшиеся алюминием, а также легированные стали, содержащие карбидообразующие элементы, особенно титан и ванадий. Предполагают, что тормозящее влияние на рост зерен оказывают частицы нитрида алюминия, которые, располагаясь по границам зерен, механически препятствуют собирательной рекристаллизации; при температуре, большей 1000-1100°С, нитрид алюминия распадается, и препятствия для роста исчезают.
Подобный механизм действия приписывается также карбидам титана и ванадия. Из карбидообразующих элементов лишь марганец не только не уменьшает, а даже несколько увеличивает скорость роста аустенитного зерна.
Природную зернистость сталей оценивают номерами (баллами) специально разработанной шкалы зернистости (ГОСТ 5639-82).
Стали, имеющие грубую крупнозернистую структуру вследствие высокотемпературных нагревов, называют перегретыми; перегрев исправляется повторной аустенизацией с нагревом до более низкой температуры.
Эвтектоидная сталь
Эвтектоидная сталь относится к категории материалов, в составе которых содержится углерод. Она широко применяется в строительстве и промышленных производствах. Благодаря уникальному составу сталь имеет весомые преимущества, которые в определенных случаях делают этот материал незаменимым. Для того чтобы правильно использовать эвтектоидную сталь, необходимо детально изучить ее свойства.
Что это такое?
Эвтектоидная сталь – это сплав, имеющий уникальный состав. Она относится к категории технических металлов. Благодаря составу изделия, выполненные из этого материала, обладают такими характеристиками, как прочность, износоустойчивость, стойкость к воздействию внешних негативных факторов.
Кроме того, этот сплав отличается гибкими динамическими свойствами. Так, мастера, которые работают с материалом, в первую очередь отмечают его пластичность.
Это свойство обеспечивается благодаря высокому проценту содержания в составе углеродистых примесей.
Основные свойства
Первым и наиболее важным отличительным свойством эвтектоидной стали является наличие в составе углерода, а также легированных примесей. Изучать состав металла необходимо для того, чтобы иметь представление о различиях между классической эвтектоидной и ледебуритной сталью. Последний материал внешне очень схож с основным материалом, различия наблюдаются только в фазовом химическом составе.
Если говорить о структурном классе стали, то к эвтектоидам будет относиться именно доэвтектоидный состав. При этом в нем в обязательном порядке будут присутствовать перлиты и легированные ферриты. Основное отличие от заэвтектоидных материалов заключается именно в процентном соотношении углерода. Его уровень должен составлять не более 0.8%.
Даже в случае незначительного превышения, этот материал можно смело относить к полноценным эвтектоидам.
Каждый материал имеет свою особенную структуру. Не является исключением и эвтектоидная сталь. Формирование структуры происходит в результате перекристаллизации аустенита. Эвтектоидная сталь содержит более 0.8% С, при этом П (перлит) может быть как пластичным, так и зернистым.
Благодаря тем компонентам, из которых состоит эта сталь, можно также судить о ее марке.
Применение
Благодаря особенным свойствам, присущим только этому металлу, он применяется в различных отраслях. Так, в машиностроении очень часто изготавливают детали для автомобилей. Как правило, в этом случае применяется сталь высоких марок.
Металл с пониженным содержанием феррита часто используется при изготовлении строительной техники. При производстве строительных модулей, различных заготовок может быть использован материал, обладающий пониженными свойствами прочности, поскольку в этом случае такого сплава будет вполне достаточно.
Обработка
При обработке сталей с эвтектоидным составом необходимо соблюдать режим изотермического отжига.
Существует определенная температура закалки стали.
Для того чтобы наглядно представлять процесс, рекомендуется ознакомиться с основными фазовыми превращениями.
Фазовая перекристаллизация – происходит в том случае, если происходит нагрев материала до аустенитного состояния.
При различных степенях охлаждения наблюдается превращение аустенита.
Превращение, которое происходит при нагреве закаленных сталей.
Примечательно, что в зависимости от условий нагрева можно получить зерно аустенита различного размера. От этого показателя напрямую зависят свойства продуктов превращения.
Практикуется несколько основных методов отжига стали этой категории. Их можно разделить на две большие группы: полный и неполный отжиг. В случае полного отжига наблюдается разогрев металла до критической температуры, а затем начинается нормализация состояния с помощью обычного охлаждения. На этом этапе происходит полный распад аустенита.
Как правило, температура, при которой происходит полный отжиг, варьируется от 700 до 800 градусов.
При неполном отжиге температура всегда превышает 800 градусов. Но неполный отжиг получается в результате сокращения выдержки металла в раскаленном состоянии по времени.
Для того чтобы использовать эвтектоидную сталь по назначению, необходимо выделять ее из составов других категорий металла.
Доэвтектоидные стали
Покупателям металлургической продукции обязательно надо знать, что собой представляет доэвтектоидная сталь. Внимания заслуживают ее структура после полного отжига, микроструктура и марки, процедура закалки стали. Нужно также выяснить ее ключевые характеристики, в том числе и то, каково содержание углерода.
Что это и как изготавливают?
Термин «доэвтектоидная сталь» означает конкретное расположение стального сплава на специальной технологической диаграмме железоуглеродистых соединений. Это расположение будет левее, нежели у обычных эвтектоидных сплавов. Основная часть соединений образована ферритом и перлитом. При микроскопическом изучении отличить такие зерна не составляет труда. Светлые зерна представляют собой феррит, который почти не подвержен травлению.
Что немаловажно, такие зерна не только светлы, они еще и полигональны. Перлит же образован комбинацией феррита с цементитом. Соответственно, это вещество травится лучше, и при микроскопии всегда выглядит темнее чистого феррита. Содержание углерода прямо влияет на пропорцию темных и светлых зон.
Определить это просто: чем большее содержится количество углерода в процентном исчислении, тем меньше будет обнаруживаться феррит и тем больше в составе представлен перлит.
Такое простое обстоятельство позволяет обходиться в большинстве случаев без изощренного химического анализа. Если его и проводят, то он неизменно подтверждает оценки, данные при грамотной микроскопии. Но проблема в том, что такой подход приемлем только для отожженных или находящихся в нормализованном состоянии сплавов. После легирования металла сделать это нельзя, и тогда уже придется заниматься полноценным химическим анализом.
Структура доэвтектоидных сталей зависит от химического распада аустенита при понижении температуры. Потому температурная динамика этого процесса приобретает особое значение. Дисперсность сплава определяется уровнем переохлаждения (в металлургическом, конечно, смысле). Все доэвтектоидные стали характеризуются содержанием углерода не выше 0,8%. Технология производства мало отличается от выработки других черных сплавов.
Влияя на кривую охлаждения и подстраивая интенсивность прогрева, технологи научились добиваться точно предсказуемых результатов. Удается гарантированно управлять дисперсностью, задавая строго необходимые показатели конечного продукта. Даже с учетом последующего отжига содержание углерода очень важно удержать в нормативных пределах. Нельзя обойтись при производстве и без так называемой нормализации. Она подразумевает улучшение фракционного состава аустенита. Частицы феррита и перлита должны стать меньше, иначе о нормальных свойствах готового продукта речи не идет. Однако сам по себе процесс сложен, и за ним должны следить опытные специалисты.
При нарушении требований зерна могут начать увеличиваться. Тогда плавка фактически уходит в брак.
Структура
Как уже говорилось, доэвтектоидный сплав состоит из перлитных и ферритных участков. Но эта микроструктура сохраняется только до определенного момента. На каком-то этапе наступает фазовая перекристаллизация. В ходе этого процесса вместо перлита формируется аустенит, состоящий из мелких зерен. На следующем этапе повышения температуры чрезмерная часть феррита будет растворена в аустените. Если температура растет еще больше, аустенитному преобразованию подвергается и перлит. Иногда рост нагрева продолжается. В этом случае сначала остается чистый аустенит, а затем его качество начинает ухудшаться. Распухание зерен характерно для любых видов стали. Однако для каждого типа сплавов этот процесс течет неодинаково.
Закаленная доэвтектоидная сталь — достаточно часто встречающийся продукт. Конкретная температура закаливания подбирается с учетом химического состава металла. Существенное превышение нормального температурного показателя не допускается. В итоге такие сплавы после нормализации имеют преимущественно мартенситную структуру.
Такое строение гарантирует оптимальные твердость и прочность. После полного отжига сталь состоит из излишнего феррита и перлита.
Характеристики
Строение перлита крайне важно для оценки свойств продукта. Доэвтектоидная сталь наилучшим образом обрабатывается при структуре, основанной на феррит-пластинчатом перлите. Для сравнения: эвтектоидный и заэвтектоидный металл обработать проще, если структура образована зернистым перлитом. Если вместе с мартенситом после закалки остается небольшое количество перлита, то твердость сплава понижается, а после отпуска станут хуже его механические свойства.
По износостойкости он уступает заэвтектоидным соединениям. Проигрыш касается и такого немаловажного свойства, как твердость. Однако есть и преимущество — так называемая красностойкость или, если говорить более развернуто, устойчивость против отпуска при разогреве инструментов. В ходе изотермического преобразования аустенит будет выделять феррит. Для сравнения: в заэвтектоидных сплавах из него обособляется другой компонент (цементит). После неполного отжига можно улучшить обрабатываемость заготовок резанием, а после полного отжига особенно мелкозернистый металл может стать пластичнее.
Прошедший механическую обработку в горячем состоянии материал преимущественно состоит из мелких зерен. Профессионалы тогда говорят, что его микроструктура удовлетворительна, и потребности в отжиге почти нет. Но все же высокий отпуск для повышения практических свойств и уменьшения неоправданной твердости после форсированного охлаждения бывает необходим. Установлено, что высокотемпературный отпуск для доэвтектоидной стали лучше, чем полный отжиг. Он позволяет оптимизировать разрезаемость заготовок.
Прочность доэвтектоидного металла может довольно сильно отличаться. После закалки или отпуска при низких температурах она достигает максимума при концентрации кислорода в 0,6-0,7%. Отпуская металл при более высокой температуре, приходится мириться с меньшей твердостью и с падением прочностных показателей. Зато материал становится пластичнее и вязче, лучше переносит динамические нагрузки. Подобное обстоятельство позволяет изготавливать из подобного сырья инструмент для манипуляций с мягкими материалами, который чаще подвергается ударным нагрузкам, чем значительному давлению.
Маркировка
Свойства, как уже указано, зависят во многом от структурно-химического состава. Так, сплав на основе зернистого перлита имеет большую твердость, нежели тот, в чьем составе будет преобладать пластинчатый подтип. Но различия есть даже между отдельными марками материалов. Так, конструкционные углеродистые стали нормального качества обозначаются сочетанием символов «Ст». Вслед за ним идет цифра, соответствующая марочному номеру.
Чем выше номер, тем тверже и прочнее материал. Оборотной стороной этого момента оказывается падение пластичности. Самый гибкий вид стали отпускают на производство кровельного материала и крепежных метизов. Особо качественные виды сплава маркируют двузначным числом, показывающим концентрацию углерода в сотых долях процента.
Для инструментальных сталей характерно обозначение «У», дальше идет индекс десятых долей процента. А при особом качестве в конец записи добавляют букву «А».
Выше уже отмечалось, что доэвтектоидные ферритовые стали имеют чуть более низкую прочность, чем другие сплавы. Но это не мешает активно их использовать в различных случаях. Так, подобные материалы находят применение в машиностроительном производстве. В этом случае используют самые качественные марки стали. Их требуется тщательно обжигать и нормализовывать.
Доэвтектоидная сталь может иметь также низкое содержание феррита. В этом случае ее преимущественно применяют для изготовления строительных конструкций и элементов. Дешевизна таких марок материала позволяет заметно сэкономить. Причина проста — особая механическая прочность в этом случае не всегда нужна. Зато износостойкость и упругость будут вполне необходимы, что и делает целесообразным применение эвтектоидного типа сталей.
Методика производства таких сплавов примерно совпадает с процессом производства иных черных металлов и сплавов. Ее осуществляют путем нагрева до определенных температур и последующих проработок. Однако есть свои особенности и нюансы. Главная тонкость — поддержание распада аустенита одновременно с охлаждением. Регулируя интенсивность прогрева и остужения, можно гибко влиять на дисперсность ключевых компонентов, что крайне серьезно отражается на складывании определенных параметров вещества.
Концентрация углерода, обуславливаемая перлитом, остается без всяких изменений. На нее не повлияет даже дальнейший отжиг. Может применяться сразу несколько вариантов отжига, вернее, выбор между ними остается на усмотрение технологов. При неполной методике аустенит греют интенсивно, пока его температура не достигнет критической точки. Далее переходят к охладительной нормализации.
В таком режиме обеспечивается эффективный распад аустенита на искомые вещества. При полном отжиге температура составляет от 700 до 800 градусов. В таких условиях резко активизируется распад феррита. Специалисты стремятся при этом еще и поддержать оптимальную скорость понижения температуры. Отрегулировать ее помогают манипуляции с дверцами рабочей камеры. Влиять на открытие и закрытие этой дверцы могут как действия технического персонала, так и автоматические программы работы современных изотермических печей. Неполный отжиг ведут, прогревая металл более чем до 800 градусов. Но в таком случае критично время высокотемпературной обработки. Устранить феррит полностью не получится.
Может возникнуть вопрос того, зачем прибегать к манипуляции, которая не повышает качество материала и будущих конструкций. Однако смысл в подобной работе вполне есть. Именно неполнота термообработки дает возможность сберечь мягкость структуры. Да, полученный продукт можно использовать не везде, где применяют иные углеродистые стали. Однако механическая обработка существенно улучшается и упрощается, что порадует многих мастеров. Дешевизна тоже является бонусом. На обжиге дело не заканчивается. Его сменяют такие процедуры, как нормализация и нагрев. При них металл может прогреваться до 1000 градусов и более. Однако суть в том, что нормализуются доэвтектоидные стали уже после окончания высокотемпературной фазы. Процесс идет при охлаждении в окружении спокойного воздуха.
Конечная точка — окончательное преобразование структуры материала. В ходе нормализации металл надо остужать быстрее, чем при отжиге. Иначе важное условие (уменьшение размеров зерен) будет недостижимо. Так или иначе, и отжигаемый, и нормализуемый сплав приобретают все более мелкозернистую структуру. Коренное отличие между этими обработками состоит в том, что нормализация повышает дисперсность, а перлит фактически сменяется сорбитом, имеющим более высокие прочностные показатели.
Они могут даже быть лучшими, чем у качественной отожженной стали. Максимальное повышение дисперсности сорбита достигается при начале охладительного процесса с более высоких температур. Но в определенный момент эта закономерность нарушается, и качество готового продукта падает. Учесть все подобные нюансы могут только подготовленные технологи.
Важно обратить внимание и на процедуру неполной закалки, которая заслуживает отдельного разговора.
При ней наиболее ответственной частью работы оказывается охлаждение. Если этот прием выполняется неправильно, вся долгая предыдущая работа во многом обесценивается. Чтобы аустенит стал мартенситом, скорость падения температуры должна быть больше критической. В противном случае мартенсит распадется на комбинацию бейнита, троостита и сорбита. Если сплав содержит легирующие добавки, то критичная скорость манипуляции понижается, мартенсит оказывается более стойким к распаду.
Однако нахождение дополнительных элементов в виде соединений, напротив, приводит к возникновению центров кристаллизации. Из-за них охладительный процесс заметно осложняется. В целом эвтектоидные стали имеют самую низкую критическую скорость среди других углеродистых сплавов. Но и тут есть отличия между марками, партиями с различным химическим составом. Остужать металл при содержании углерода свыше 0,3% можно преимущественно водой.
Такой метод более привлекателен, нежели использование спокойного воздуха и другие решения. Охлаждающую способность воды могут регулировать введением дополнительных компонентов. Подбор идеального охлаждающего агента на все случаи жизни невозможен, и технологи вынуждены соблюдать баланс. Прерывистая закалка в двух средах близка к оптимальному режиму, но провести ее грамотно могут лишь квалифицированные термисты. При ступенчатом закаливании мартенситное превращение происходит в воздушной среде.
Углеродистой стали в равновесном состоянии
- установление зависимости между структурой и свойствами стали.
Под равновесным понимается такое состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния. Это имеет место только при очень малых скоростях охлаждения (нагрева). Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии и не подвергается самопроизвольному изменению во времени. Поэтому оно называется стабильным.
Превращения, протекающие в сталях в равновесном состоянии, описываются диаграммой «железо-цементит», представленной на рисунке 8.1.
Рисунок 8.1 – Диаграмма «железо-цементит»
В железоуглеродистых сплавах могут присутствовать следующие твердые фазы: феррит, аустенит, цементит.
Феррит – твердый раствор внедрения углерода в a-железе, имеющем объемноцентрированную кубическую решетку. На диаграмме «железо-цементит» существуют две области феррита – высокотемпературная область АNН и низкотемпературная область GPQ. Максимальная растворимость в высокотемпературной области составляет 0,10 % – точка Н, в низкотемпературной области 0,02 % – точка Р. Содержание углерода при комнатной температуре – 0,01 %. Феррит мягок и пластичен (sВ = 200 – 300 МПа, d = 20–50 %, 80 – 100 НВ).
Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в g-железе, имеющем гранецентрированную кубическую решетку. На диаграмме «железо-цементит» аустенит занимает область NJESG. Максимальная растворимость углерода в аустените 2,14 % – точка Е. По механическим свойствам аустенит близок к ферриту. Горячую обработку давлением проводят в области существования аустенита (однофазный твердый раствор характеризуется высокой пластичностью).
Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа, химическая формула которого Fe3С. Содержание углерода в цементите равна 6,67 %. Цементит обладает высокой твердостью (» 800 HV) и хрупкостью. Он имеет сложную ромбическую решетку. Она состоит из ряда октаэдров, оси которых расположены под некоторыми углами друг к другу.
Кристаллизация сплавов, содержание углерода в которых меньше 0,5 % (точка В), начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов феррита. При содержании углерода больше 0,5 % стали кристаллизуются с выделением аустенита.
Сплавы, содержащие углерод от 0,1 % (точка Н) до 0,5 % (точка В), претерпевают при температуре 1499 o C (линия НJB) перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкий раствор, имеющий при этой температуре концентрацию, соответствующую точке В (0,5 % С), взаимодействуя с выделившимися из него кристаллами феррита концентрации точки Н (0,1 % С), образует новую фазу – кристаллы аустенита концентрации точки J (0,16 % С):
При дальнейшем снижении температуры в сплавах с содержанием углерода от 0,1 до 0,16 % феррит, оставшийся после перитектического превращения, перекристаллизовывается в аустенит. В сталях с содержанием углерода больше 0,16 % оставшаяся жидкость затвердевает с образованием аустенита. Ниже линий NJ и JE сплавы имеют однородную аустенитную структуру.
Все сплавы с содержанием углерода более 0,02 % (точка Р) при температуре 727 o С (линия PSK) претерпевают эвтектоидное превращение. При эвтектоидном превращении аустенит, имеющий при этой температуре концентрацию углерода, соответствующую точке S (0,8 % С), распадается с образованием эвтектоидной смеси – перлита (феррита состава точки Р (0,02 % С) и цементита):
Эвтектоидная смесь феррита и цементита, образующаяся в результате эвтектоидного распада аустенита называется перлитом.
В сплавах с содержанием углерода менее 0,8 % (точка S) эвтектоидному превращению предшествует выделение из аустенита феррита, которое протекает в интервале температур, ограниченных линиями GS и РS. При этом в оставшемся аустените концентрация углерода изменяется по линии GS. В сплавах с содержанием углерода более 0,8 % (точка S) эвтектоидному превращению предшествует выделение из аустенита цементита. Выделение цементита протекает в интервале температур, ограниченных линиями ES и SK. В этом случае концентрация углерода в оставшемся аустените изменяется по линии ES.
Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода делятся на три группы: техническое железо, стали, чугуны.
Техническое железо – это сплавы с содержанием углерода менее 0,02 % (точка Р). Как следует из диаграммы «железо-цементит», техническое железо имеет структуру феррита или феррита и цементита третичного, который в виде отдельных мелких включений располагается по границам зерен феррита (рисунок 8.2, а). Третичный цементит выделяется из феррита в результате снижения растворимости углерода при уменьшении температуры от эвтектоидной (727 о С) до комнатной. Предельная растворимость углерода в феррите ограничивается линией GPQ. По свойствам техническое железо подобно ферриту.
Стали – это сплавы с содержанием углерода от 0,02 % (точка Р) до 2,14 % (точка Е). В структуре стали по мере увеличения содержания углерода возрастает доля цементита и соответственно уменьшается доля феррита. Это приводит к повышению твердости и прочности стали и снижению ее пластичности, изменению физических и технологических свойств. В зависимости от содержания углерода стали по своей структуре делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.
Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 % углерода (точка Р) до 0,8 % углерода (точка S). Она имеет структуру феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна) (рисунок 8.2, б, в). Количественное соотношение между перлитом и ферритом зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода прямо пропорционально увеличивается содержание перлита. При концентрации углерода в стали 0,8 % количество перлита равно 100 %. Зная площадь, занимаемую перлитом, с достаточной для практики точностью можно определить содержание углерода в углеродистой стали:
где А – площадь, занимаемая перлитом.
Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода (точка S) и состоит из перлита (рисунок 8.2, г).
Рисунок 8.2 – Микроструктура технического железа (а), доэвтектоидных сталей с содержанием углерода 0,20 % (б) и 0,45 % (в), эвтектоидной (г) и заэвтектоидной (д) сталей
Заэвтектоидная сталь содержит от 0,8 % углерода (точка S) до 2,14 % углерода (точка Е). Заэвтектоидная сталь состоит из перлита и цементита (рисунок 8.2, д).
Таким образом, структура, а следовательно, и свойства стали определяются количеством углерода в ней. Доэвтектоидные стали, содержащие до 0,8 % углерода, являются конструкционными, предназначенными для изготовления деталей машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали). В значительной мере свойства углеродистых сталей, а, следовательно, и область их применения зависят от содержания в них вредных примесей серы и фосфора. Чем меньше их в стали, тем выше ее качество.
Стали обыкновенного качества, наиболее дешевые, являются конструкционными сталями общего назначения и содержат до 0,07 % фосфора, 0,06 % серы, 0,06–0,49 % углерода. По гарантируемым свойствам они подразделяются на три группы – А, Б, В. В сталях группы А – гарантируются механические свойства, группы Б – химический состав; в сталях группы В гарантируются механические свойства и химический состав.
Сталь группы А маркируется буквами Ст и номером 0, 1, 2, . 6, например, Ст1. В сталях группы Б перед буквами Ст ставится буква Б, например, БСт2. В сталях группы В перед буквами Ст ставится буква В, например, ВСт3. С увеличением условного номера повышается содержание углерода в стали, что приводит к увеличению прочностных свойств, к снижению пластичности и свариваемости.
Стали группы А применяются для изготовления рядового проката (швеллеров, уголков, листов, прутков, труб и др.) используемого для клепанных и болтовых конструкций, а также для малонагруженных деталей машин (валов, осей, зубчатых колес, болтов и т. д.) не подвергаемых нагреву в процессе обработки. Стали группы Б применяются для изготовления изделий, подвергаемых нагреву (горячей обработке давлением, сварке, термической обработке). Стали группы В применяются для изготовления сварных конструкций, подвергаемых расчетам на прочность.
В конце марки стали ставятся буквы «кп», «пс», «сп». Буквы «кп» показывают, что сталь кипящая, «пс» – полуспокойная, «сп» – спокойная.
Качественная конструкционная сталь по сравнению со сталью общего назначения содержит вдвое меньше серы и фосфора и отличается более высокими механическими свойствами. Она маркируется цифрами, например, 08, 10, … 80, показывающими содержание углерода в сотых долях процента.
Низкоуглеродистые стали, содержащие углерода до 0,25 %, обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью и применяются для изготовления изделий листовой холодной штамповкой (05 кп…10), а также для деталей, упрочняемых цементацией, и для различных сварных соединений (Сталь 15, Сталь 20). Кроме того, из последних сталей изготавливают болты, шпильки, гайки, валики неответственного назначения и т. п.
Среднеуглеродистые стали марок 30-50 предназначаются для ответственных деталей высокой прочности с вязкой сердцевиной (зубчатые колеса, шатуны, коленчатые валы, распределительные валы, винты, оси, втулки, рычаги и др.). Как правило, детали из этих сталей подвергаются улучшению (вид термической обработки).
Высокоуглеродистые стали 55-85 применяются для пружин, рессор, а также деталей высокой прочности: прокатных валков (сталь 60), крановых колес (сталь 75), дисков муфт сцепления (сталь 85) и др. Детали из этих сталей подвергаются закалке и отпуску (виды термической обработки).
Для изготовления различных инструментов применяется углеродистая инструментальная сталь, содержащая углерода от 0,7 до 1,3 %. Она имеет пониженное содержание вредных примесей: фосфора – до 0,035 % и серы – до 0,03 % (качественная сталь) или фосфора – до 0,03 % и серы – до 0,02 % (высококачественная). Эта сталь производится следующих марок: У7 - У13 (качественная) или У7А - У13А (высококачественная). Здесь «У» означает «углеродистая инструментальная сталь», число после «У» - содержание углерода в десятых доля процента (например, У12 содержит углерода 1,2 %). Буква «А» в конце марки означает – высококачественная сталь.
Стали марок У7 и У8 вязче других, так как не имеют в структуре цементита, и они идут на изготовление ударных инструментов – молотков, зубил, топоров, кернеров, стамесок, долот, штампов и т. д.
Стали У10 и У11 имеют несколько меньшую вязкость и немного большую твердость (т.к. в их структуре содержится небольшой количество цементита) и используются для изготовления резцов, сверл, метчиков, лерок.
Стали У12 и У13 обладают низкой вязкостью и высокой твердостью и используются для изготовления инструмента, не испытывающего ударных нагрузок (напильников, бритв, рашпилей и т. п.).
Контрольные вопросы
1. Описать превращения, протекающие в сталях при нагреве или охлаждении, указать их температуры.
2. Дать определение фазам, присутствующим в сталях и указать содержание углерода в них.
3. Дать классификацию углеродистых сталей по качеству, содержанию углерода и назначению.
4. Изучить маркировку сталей и указать области применения перечисленных сталей:
Основные превращения в стали
Фазовые превращения, которые совершаются в стали также, как и превращения при кристаллизации обуславливается тем, вследствие изменения внешних факторов (температуры) происходит переход из одного состояния в другое, оказавшееся более устойчивым при данной температуре. Основными в стали являются три структуры - аустенит, мартенсит, перлит. Основные превращения в стали характеризуются переходом этих структур из одного в другую.
При термической обработке стали наблюдаются 4 основных превращения..
1. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки А1, т. е. выше температуры стабильного равновесия А«П . При этих температурах их 3-х основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит.
Fea (С) + Fe2С ® Fe g(С)
2. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже Ас1
3. Превращение аустенита в мартенсит
4. Превращение мартенсита в феррито-карбидную смесь
(Первое основное превращение)
Превращение перлита в аустенит в полном соответствии с диаграммой Fе-С может совершится лишь при очень медленном нагреве. При обычных условиях превращение запаздывает и получается перенагрев. Перенагретый выше критической точки перлит с различной скоростью превращается в аустенит. Скорость превращения зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше скорость превращения. Теоретически при нагреве с бесконечно малой скоростью луч нагрева пересечет кривые начала и конца превращения, пересекающиеся в бесконечности. Превращений А « П произойдет согласно диаграмме равновесного состояния. Реально превращение П « А происходит не при одной температуре, а в интервале температур, расположенных тем выше, чем выше нагревается сталь. Окончание процесса превращения характеризуется образованием аустенита и исчезновением перлита. Вновь образовавшийся аустенит неоднороден в объеме. В местах, где были пластинки цементита содержание углерода больше, чем в местах, где располагались пластинки феррита. Для получения однородного гомогенного аустенита необходима выдержка при температуре аустенизации для завершения диффузионных процессов, внутри аустенитного зерна. Скорость описанных реакций зависит от степени дисперсности цементита и от его формы. Чем меньше частицы цементита, тем быстрее происходит превращение.
2. Рост аустенитного зерна. На первой стадии превращения перлита в аустенит происходит образование большого количества мелких зерен аустенита. Размеры этих зерен характеризует так называемое начальное зерно аустенита.
Дальнейший нагрев или выдержка обуславливает рост аустенитных зерен. Этот процесс протекает самопроизвольно т.к. идет с уменьшением поверхностной энергии за счет уменьшения суммарной поверхности зерен. Высокая температура лишь обеспечивает достаточную скорость протекания процесса. Различают 2 типа сталей– наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.
1-й характеризуется малой склонностью к росту зерна, 2-й - повышенной склонностью.
В наследственно мелкозернистой (а) стали при переходе через АI сопровождается уменьшением величины зерна. Это зерно не растет при дальнейшем нагреве до 950-1000°С
Рост начинается выше 1000° С. У крупнозернистой стали рост зерен начинается при переходе через критическую точку (б). Таким образом, под наследственной зернистостью нужно понимать склонность аустенитного зерна к росту.
Размер зерна, наблюдаемый в стали после термической обработки называется действенным. Следовательно, различают 3 характеристики размера зерна стали :
1. Начальное зерно - размер зерна аустенита в момент окончания
превращения П « А
2. Наследственное зерно, определяющее склонность зерна аустенита к
3. Действительное зерно - размер зерна аустенита в данных конкретных условиях.
Размер первичного зерна аустенита и наследственная зернистость оказывает влияние на величину действительного зерна полученного после термической обработки. Чем крупнее зерна первичного аустенита и чем больше наследственное зерно, тем более крупное действительное зерно получаемое после всех видов тепловой обработки.
Величина первичного зерна, наследственная крупнозернистость и величина действительного зерна в стали может быть определена микроструктурным анализом. Первичное зерно может быть определено по излому закаленных образцов. Так как разрушение произойдет по границам бывших аустенитных зерен, по виду излома можно судить о размере зерна. При микроструктурном исследовании границы аустенитных зерен выявляют замедленным охлаждением (сетка Ф или Ц )
Для определения наследственного зерна, т.е. склонности к росту нагревают сталь до 930° С (конструкционные стали) и определяют по шкале величину вспучившегося действительного зерна. (Это температура, при которой у наследственно крупнозернистой стали происходит рост зерна).
Величину действительного зерна определяют по микроструктуре термически обработанного образца сравнивая со стандартной шкалой. На механические свойства стали в термически обработанном состоянии существенное влияние оказывает только величина действительного зерна. Укрупнение величины зерна снижают пластические характеристики особенно ударную вязкость и повышает хладноломкость стали, не оказывая существенного влияния на твердость.
Величина наследственного зерна оказывает существенное влияние на технологический процесс горячей обработки, так как в наследственно мелкозернистой стали рост зерна начинается при более высоких температурах, то ее можно ковать и прокатывать при более высоких температурах не опасаясь получения крупного зерна, а также проводить закалку при более высокой температуре, что позволит получить более высокую прочность при сохранении мелкозернистой структуры.
Наследственная зернистость зависит от химического состава стали и способа производства (метода раскисления). Многие легирующие элементы Ti, W, Zn, V уменьшают склонность зерна аустенита к росту. Сталь раскисления только FeSi и FeAl (КП и ПС) - наследственно крупнозернистая сталь дополнительно раскисленная Al(СП) - мелкозернистая. Алюминий, введенный в жидкую сталь незадолго до разливки по изложницам образует нитриды, располагающиеся при кристаллизации по границам зерен и препятствующие их росту.
(второе основное превращение)
Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита твердого раствора углерода в g железе на феррит (почти чистое железо) и цементит.
При температуре равновесия АI это превращение невозможно, т.к. свободные энергии исходного аустенита и конечного перлита равны.
Превращение может начаться лишь при некотором переохлаждении, когда свободная энергия Ф-К смеси (перлита) окажется меньшей, чем аустенита. Чем больше степень переохлаждения, тем быстрее протекает процесс превращения. Так как превращение А ® Ф + П происходит среди фаз, резко отличающихся по составу от исходных, то оно сопровождается диффузией, перераспределением углерода.
С понижением температуры и увеличением переохлаждения диффузия замедляется. Таким образом, увеличение переохлаждения действует двояко - ускоряет превращение за счет увеличения разности свободных энергий перлита и аустенита и замедляет его вследствие уменьшения скорости диффузии. Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале скорость превращения с увеличением степени переохлаждения возрастает , а затем убывает.
При 727° С и ниже d (200 0 С)V =0, т.к. при 727 0 С DF=0 при d=D=0. Процесс образования перлита состоит из зарождения кристаллов перлита и их роста. Поэтому, скорость превращения определяется числом образующихся центров ч. ц. и скоростью роста с.к. (при разной степени переохлаждения). Этот процесс, происходящий во времени может быть изображен кинетической кривой превращения, показывающей количество перлита, образовавшегося зависимости от времени, прошедшего с начала превращения. Начальный период характеризуется весьма малой скоростью так называемый инкубационный период. Максимум скорости соответствует примерно 50 % превращения аустенита. Затем скорость превращения уменьшается и превращение заканчивается.
КИНЕТИЧЕСКАЯ КРИВАЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ АУСТЕНИТА В ПЕРЛИТ.
При очень малой и значительной степени переохлаждения превращение идет медленно, т.к. С.К. и Ч.Ц. малы. При максимальной скорости превращения кривые идут круто вверх, и превращение заканчивается за малый отрезок времени. Изучение превращения А « П можно изобразить серией кривых, изображающих превращение при разных температурах. При высокой температуре (малая степень переохлаждения) превращение развивается медленно и продолжительность инкубационного периода (отрезок от начала координат до точки а) и время превращения (отрезок от начала координат до точки в). При снижении температуры превращения, т.е. увеличении степени переохлаждения продолжительность инкубационного периода и всего превращения сокращается Vmax соответствует tн, дальнейшее снижение температуры замедляет превращение. Возможен другой способ графического изображения. Если на ось ординат нанести отрезки соответствующие началу и концу превращения, то получим диаграмму превращения.
Точка а расположена на кривой показывающей начало превращения, в - конец превращения. Кривая начала превращения показывает (в зависимости от степени переохлаждения) время существования переохлажденного аустенита. Мерой устойчивости может служить отрезок от оси ординат до кривой начала превращения. При 500-600° С (t4) отрезок минимальный, т.е. А « П через наиболее короткий промежуток времени, т.к. время превращения сильно разнится от 1-2 сек. до нескольких минут. Диаграмма называется диаграммой изотермического превращения аустенита. Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада. При высоких температурах и малых степенях переохлаждения получается грубая, хорошо различимая под микроскопом смесь пластинчатого цементита и феррита называемая перлитом.
При более низких температурах и больших степенях переохлаждение дисперсность структур увеличивается, и твердость продуктов превращения возрастает. Такой мелкодисперсный перлит называется сорбитом. При еще более низкой температуре на перегибе с диаграммы дисперсность продуктов распада возрастает и образуется тростит. В этой структуре различить отдельные структурные составляющие почти невозможно при наблюдении под световым микроскопом. Хорошо видна структура на электронном микроскопе. Таким образом, перлит, сорбит, тростит - структуры с одинаковой природой (Ф+ЦII), отличающиеся дисперсностью. Перлитные структуры могут быть 2-х видов - пластинчатые и зернистые. Превращения выше и ниже изгиба С-образной кривой отличаются по кинетике превращения и структуре продуктов распада аустенита. Выше изгиба С-образной кривой, т.е. при малых переохлаждениях превращение начинается из небольшого числа центров, и кристаллы перлита растут до столкновения. Ниже перегиба С-кривой возникает игольчатая структура, образуются иглы - пластины, рост которых ограничен и превращение происходит путем роста новых кристаллов. В обоих случаях происходит распад аустенита на Ф-Ц смесь, но при высоких температурах углерод полностью выделяется из раствора, а при низких температурах этот процесс затруднен. Иглы состоят из мельчайших и коротких пластин Ф и Ц . Эта игольчатая структура называется бейнит.
К характерным особенностям превращения аустенита ниже перегиба С-образной кривой относится то, что распад аустенита не происходит полностью и в структуре остается исходная фаза называемая остаточным аустенитом . Различное строение продуктов распада выше и ниже перегиба С-образной кривой объясняется следующим. При высоких температурах выше перегиба цементит образуется в мягком аустените и возможно без создания напряжений образования круглых зерен. При низких температурах ниже перегиба С-кривой рост новой фазы происходит в напряженно-упругой среде и округлые конгломераты образовываться не могут, т.к. это создало бы большие напряжения. Поэтому внешняя форма кристаллов приобретает тонкопластинчатую (игольчатую) форму. Рост таких кристаллов не ведет к возникновению больших напряжений. Таким образом, протекает изотермический распад аустенита в эвтектоидных сталях. В доэвтектоидных сталях превращение начинается с выпадения феррита и обогащения углеродом оставшегося g раствора, в заэвтектоидных с выделения цементита и обеднения твердого раствора.
В условиях равновесия распад А ® Ц + Ф происходит в точке S, где содержание углерода 0,8 %. В условиях переохлаждения одновременное выделение Ф и Ц из А возможно лишь при условии пересыщения аустенита обеими фазами, т.е. в реальных условиях состав эвтектоида (перлита) характеризуется интервалом концентраций.
Из схемы видно, что в заэвтектоидных сталях квазиэвтектоид может содержать углерода больше, а в доэвтектоидных сталях меньше, чем 0,8% и эта разница тем больше, чем больше степень переохлаждения и ниже температура превращения. Следовательно, чем ниже температура превращения, тем меньше должно выделиться феррита или цементита перед перлитным превращением. При температуре перегиба С кривой и ниже распад аустенита происходит без выделения избыточных фаз.
Диффузионный перлитный распад без предварительного выделения феррита и цементита происходит в области ЕSG. Левее линии ЕS ему предшествует выделение феррита, правее SG - цементита.
Рассмотрим как происходит распад аустенита при непрерывном охлаждении, когда сталь, нагретая до аустенитного состояния охлаждается с разной скоростью. Линия V1 соответствующая медленному охлаждению пересечет линии диаграммы в точках а и в продукт превращения - перлит. С увеличением скорости превращения кривые V1, V2, V3 пересекают линии диаграммы при более низких температурах (а, в', а", в"), образуя более дисперсные структуры. Если охлаждать сталь с очень большей скоростью (V5), то превращение в верхнем интервале температур не успеет произойти и аустенит превратится в мартенсит (закалка). Для того, чтобы закалить сталь, нужно охладить ее с такой скоростью, чтобы превращение не успело произойти. Минимальная скорость охлаждения необходимая для превращения А® М называется критической скоростью закалки (Vк)
где А1 - температура критической точки
tm - температура min устойчивости аустенита
tm - время min устойчивости аустенита
Vл в 1,5 раза меньше расчетной, т.е.
Эта поправка объясняется тем, что как показали исследования С.С. Штейнберга, что сумма бесконечно малых отрезков времени при непрерывном охлаждении не равна отрезку у изгиба С-образной кривой.
Читайте также: