Привет студент

Термическая обработка стали заключается в использовании внутренних превращений в стали путем нагрева и охлаждения, обрабатываемого материала. Регулируя степень и скорость нагрева и охлаждения, а также время выдержки при определенных температурах, можно при одном и том же химическом составе получить сталь с различной структурой и, следовательно, с различными механическими качествами.

Основоположником теории процессов термической обработки металлов является Д. К. Чернов, обнаруживший критические точки стали и описавший процессы ее кристаллизации; продолжателями работ Д. К. Чернова являются С. С. Штейнберг, Г. В. Курдюмов, Н. Т. Гудцов, А. А. Бочвар и др.

К основным видам термической обработки стали относятся отжиг, закалка и отпуск.

Отжигом называется операция, заключающаяся в нагреве стали до температур, лежащих выше критической, и в последующем медленном охлаждении, при котором в стали получаются устойчивые (стабильные) структуры. Целью отжига является изменение механических, технологических, а иногда а физических свойств стали путем изменения ее структуры.

Ввиду того что структурные превращения, происходящие при охлаждении стали, совершаются не мгновенно, то быстрым охлаждением они могут быть частично или полностью задержаны, так как при низких температурах подвижность атомов уменьшается. Увеличение скорости охлаждения приводит к возникновению переходных между аустенитом и перлитом структур; таких структур в зависимости от скорости охлаждения может быть много, наиболее-типичные из них получили названия мартенсита, троостита и сорбита.

Выше уже было сказано, что с увеличением скорости охлаждения критические точки стали понижаются. На фиг. 104 даны кривые охлаждения эвтектоидной стали для различных скоростей охлаждения. Замечательно, что при некоторой достаточно большой скорости охлаждения на кривой охлаждения появляется еще одна критическая точка при 240° — точка М. Дальнейшее увеличение скорости охлаждения приводит к тому, что на кривой охлаждения остается только одна критическая точка — точка М.

 

 

Большое значение для понимания сущности описываемых ниже процессов термической обработки стали имеют проведенные в последнее время исследования поведения переохлажденного аустенита при различных температурах ниже Аr₁. Успехами в этой области мы обязаны прежде всего работам выдающегося советского металловеда С. С. Штейнберга и его учеников.

Эти работы показали, что аустенит стали, быстро перенесенной от высоких температур в те или иные изотермические среды — расплавленные металлы или соли с температурой ниже Аr₁, ведет себя различно в зависимости от температуры изотермической среды. Обнаружилось, что превращение аустенита начинается не сразу, а только через некоторый промежуток времени — «инкубационный период», причем величина этого инкубационного периода, а также скорость превращения аустенита сильно изменяются с изменением температуры среды. Для углеродистой стали быстрее всего начинается и идет превращение при температуре среды 550°, а при более низких температурах превращение сильно замедляется, и при температуре около 350 — 400° аустенит в стали сохраняется в течение нескольких минут. С понижением температуры изотермической среды изменяются и продукты превращения аустенита. Чем ниже эта температура, тем продукты распада тоньше, возникающие структуры подобны рассмотренным выше структурам — сорбиту и трооститу.

Доэвтектоидные стали состоят из феррита и перлита; с увеличением содержания в них углерода количество феррита уменьшается, а количество перлита возрастает. Сплавы, близкие по составу к чистому железу, состоят из зерен феррита с небольшим включением перлита; сплавы, близкие к эвтектоидному составу, состоят из перлита с небольшим количеством феррита.

На фиг. 96 дана микрофотография литого железа с содержанием 0,07% С; темные включения представляют перлит.

На фиг. 97 дан микроснимок шлифа литого железа, содержащего 0,20% С; здесь темные включения перлита занимают большую площадь, чем на предыдущей фигуре.

 

 

 

До сих пор сталь рассматривалась нами как сплав железа с углеродом. Действительно, свойства стали главным образом определяются содержанием в ней углерода. Однако практически при выплавке углеродистой стали в нее неизбежно вносится ряд иных элементов — примесей (например, за счет состава шихтовых материалов). Из них наиболее значительное место занимают кремний, марганец, сера, фосфор и кислород.

 

Некоторые из этих элементов способны образовывать с железом твердые растворы заметной концентрации (фосфор, кремний, марганец), другие — сера, кислород, не растворяясь в железе в заметных количествах, образуют химические соединения. Согласно ОСТ содержание примесей в углеродистой стали не должно превышать нескольких десятых (Si, Мn) или сотых долей процента (Р, S, О).

Сера и фосфор (и кислород) являются, безусловно, вредными примесями в стали¹. Их вредное влияние еще более усиливается при неравномерном распределении их по объему металла.

При затвердевании стали слиток может получиться неоднородным по химическому составу.

Кристаллизация стали начинается с возникновения в жидкой массе центров кристаллизации, от которых начинается рост кристаллов. Величина кристаллических зерен находится в зависимости от количества центров кристаллизации и от скорости роста отдельных кристаллов. Чем больше возникает кристаллизационных центров и чем меньше скорость роста кристаллов, тем мелкозернистее будет структура затвердевшего сплава.

При малой скорости возникновения центров кристаллизации и быстром росте кристаллов получается крупнозернистая структура.

Так как для стали с понижением температуры количество центров кристаллизации увеличивается весьма быстро, то с увеличением скорости охлаждения жидкой стали можно получить мелкозернистую структуру.

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом совмещает с себе все ранее рассмотренные типы диаграмм; в частности, она является диаграммой сплавов, способных к образованию химического соединения, каковым здесь

является Fe₃C (при содержании в сплаве 6,67% С) Рассматриваемая ниже диаграмма представляет собой лишь часть всей еще не изученной полностью диаграммы состояния сплавов железа с углеродом.

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом строится обычным способом, т.е. путем перенесения критических точек с кривых охлаждения сплавов железа с различным содержанием углерода на плоскость, где по оси X откладывается содержание углерода в сплаве, а по оси Y — температура.

Кривые охлаждения и нагрева чистого железа представлены на фиг. 85. На них видим четыре критические точки: для кривой нагрева 770, 910, 1390 и 1539°; для кривой охлаждения 1539, 1390, 906 и 770°. Критическая точка 1539° соответствует переходу железа из жидкого состояния в твердое и из твердого в жидкое; температура 770° является температурой точки Кюри, остальные критические точки указывают на структурные превращения железа в твердом состоянии.

Неполное совпадение второй снизу критической точки на кривой охлаждения с аналогичной точкой на кривой нагрева указывает на склонность железа к переохлаждению (гистерезису) при переходе через эту критическую точку.

Обозначая различные модификации железа соответствующими буквами греческого алфавита, имеем: 1) a-Fe—при нагреве до 910°; y-Fe — от 910 до - 1390° и б-Fe — от 1390 до 1539°; 2) б-Fe — при охлаждении в интервале температур от 1539 до 1390°; y-Fe — от 1390 до 906°; a-Fe— от 906° и ниже. При 770° железо претерпевает магнитное превращение.

Атомный вес железа (Fe) 55,8; удельный вес 7,87; температура плавления 1539°; цвет серебристо-белый; коэффициент линейного расширения при нагреве от 0 до 100° 11,7_* 10^-6, теплоемкость от 0 до 100° 0,1 кал/г °С; теплопроводность 0,19 кал/см . сек °С; электросопротивление 0,099 ом_*мм²/м. Железо кристаллизуется в кубической системе.

Чистое железо получают обычно путем электролиза; содержание примесей в одном из наиболее чистых образцов железа, полученного путем электролиза, составляет 0,004% С; 0,002% Мn, 0,004% S и 0,003% Р. Такое железо имеет белый цвет, очень ковко, мягко.

Предел прочности электролитического железа составляет 25—30 кг/мм², твердость по Бринелю 80.

Электролитическое железо обладает высокой магнитной проницаемостью.

Сплавы можно рассматривать как совокупность компонентов, связанных между собой силами межатомного или межмолекулярного притяжения и отталкивания. Если сплав находится в таком состоянии, которое отвечает минимальному термодинамическому потенциалу при данных температуре и давлении, составляющие сплав вещества не обнаруживают стремления к взаимным перемещениям. Такое состояние является устойчивым, равновесным.

При изменении внешних условий — температуры и давления — в сплаве могут происходить превращения — переход из твердого состояния в жидкое, взаимное растворение компонентов, аллотропические превращения, образование химических соединений. Все эти превращения всегда направлены к тому, чтобы система сплава снова пришла в устойчивое состояние, нарушенное изменением внешних условий.

Как было сказано ранее, фазой называют физически и химически однородную часть сплава, которая отделена от других однородных частей сплава «поверхностью раздела». Следовательно, сплав в жидком состоянии представляет собой обычно однофазную систему. Сплав, состоящий из смеси кристаллов двух твердых растворов, имеет две фазы; сплав, являющийся однородным твердым раствором, однофазен и т. д.