Перетворення, що відбуваються в залозі і стали при нагріванні і охолодженні

будова стали

Уважно придивившись до злам металу, ясно можна побачити, що він являє собою нагромадження (сукупність) окремих кристалів (зерен), міцно зчеплених між собою. Щонайменшої часткою металу, як і будь-якого іншого речовини, є атом. У елементарних осередках, з яких складаються кристали заліза, атоми розташовані в певному порядку. Це розташування змінюється в залежності від температури нагріву. При будь-якій температурі нижче 910 ° атоми в осередках кристалів розташовуються у вигляді куба, утворюючи так звану кристалічну решітку альфа-заліза. У цьому кубі вісім атомів розташовані в кутах решітки і один в центрі.

При нагріванні понад 910 ° відбувається перегрупування атомів і кристалічна решітка являє собою форму куба з чотирнадцятьма атомами; умовно її називають гратами гамма-заліза. При температурі 1390 ° решітка гамма-заліза перебудовується в решітку з дев'ятьма атомами, що носить назву дельта-залізо. Ця решітка відрізняється від решітки альфа-заліза кілька великою відстанню між центрами атомів і зберігається до моменту розплавлення заліза, т. Е. До 1535 ° (Рис. 1).

Перебудова кристалічної решітки при повільному охолодженні відбувається в зворотному порядку: дельта-залізо при 1 390 ° перетворюється в гамма-залізо, а гамма-залізо при 898 ° перетворюється в альфа-залізо.

Мал. 1. Будова кристалічної решітки: а - альфа і дельта заліза; б - гамма заліза.

Критичні точки перетворення

На рис.2 показані криві охолодження і нагрівання чистого заліза. Як видно з цих кривих, в процесі перебудови однієї решітки в іншу, а також при розплавленні і затвердінні заліза відбуваються температурні зупинки, що є результатом виділення додаткової кількості тепла при охолодженні і поглинанні додаткової кількості тепла при нагріванні.

Мал. 2. Криві охолодження і нагрівання чистого заліза.

Температурні зупинки, при яких відбуваються перебудови решіток, називаються критичними температурами або критичними точками і позначаються Аr при охолодженні і Ас при нагріванні. У точках Аr2 і АС2, не відбувається перебудова атомної решітки, а змінюються магнітні властивості заліза. При температурі вище 768 ° залізо втрачає здатність притягуватися магнітом. При дуже малій швидкості нагрівання та охолодження критичні точки А с3 і Аr3 не збігаються один з одним на 12 °. При збільшенні швидкості охолодження розбіжність критичних точок збільшується, так як температура значно знижується і залізо переохолоджується. Це явище, носить назву гистерезис.

При нагріванні і охолодженні стали відбувається також перебудова атомної решітки, але температури критичних точок не постійні. Вони залежать від вмісту вуглецю і легуючих домішок в стали, а також від швидкості нагрівання та охолодження.

На рис. 3 представлена ​​діаграма стану вуглецевої сталі при повільному охолодженні і нагріванні.

Рис.3. Діаграма стану вуглецевих сталей.

структура стали

Структурою стали називається внутрішнє її будова. Вуглець в стали знаходиться у вигляді хімічної сполуки з залізом, і це з'єднання називається - цементит. Крім цементиту, в сталі є ферит, що представляє собою майже чисте залізо. Залежно від вмісту вуглецю більша або менша частина фериту знаходиться в механічної суміші з цементитом, утворюючи нову структуру - перліт. Якщо невеликий шматок металу прошлифовать, відполірувати і протравити в спеціальному реактиве, то під мікроскопом можна розрізнити структури. Нижче наводиться опис структур залізовуглецевих сплавів.

У звичайних сталях аустеніт стійкий тільки при температурі вище критичних точок. При охолодженні, навіть найшвидшому, з цих температур аустеніт перетворюється в інші структури. При кімнатній температурі аустеніт повністю зберігається в ряді марок нержавіючих сталей, в високомарганцовістой стали і в незначній кількості залишається при загартуванню деяких марок інструментальної і конструкційної сталей.

Аустеніт м'який, пластичний, тягучий, мало пружний. Твердість його по Бринелю знаходиться в межах 170-220.

Аустеніт немагнітний, має невисоку електропровідністю.

Цементит є хімічна сполука заліза з вуглецем Fe3 C-карбід заліза. Цементит містить вуглецю 6,67%. Виділяється з рідкого і твердого розчину при повільному охолодженні. Цементит вельми твердий і крихкий. Твердість його Нb = 800-820. Він магнітів до 210 °. Вище цієї температури цементит втрачає магнітні властивості.

Перліт представляє собою механічну суміш фериту і цементиту. Він утворюється з аустеніту при повільному його охолодженні. Температура перетворення аустеніту в перліт 723 ° С. При досить повільному переході через цю температуру цементит утворюється у вигляді зерен (глобули), і тоді перліт називається зернистим. При більш швидкому охолодженні цементит набуває форму пластинок, і такий перліт називається пластинчастим. При досить швидкому охолодженні в результаті значного переохолодження аустеніту замість перліту виходять інші структури, про які мова буде нижче.

Перліт магнітів, міцний і пластичний. Твердість його знаходиться в межах від 160 до 230 кг / мм 2 по Бринелю. При обробці різанням найбільш чисту поверхню дає структура зернистого перліту.

Для того щоб доевтектоїдних і евтектоїдних сталь повністю відпалювати, нормалізувати або загартувати, їх потрібно нагріти до такої температури, при якій вони перейшли б в аустенитное стан.

Мал. 5. Мікроструктура отожженной вуглецевої сталі:

Перетворення, що відбуваються в сталі при нагріванні

За діаграмою на рис. 3 можна простежити за змінами структури трьох різних марок сталі при нагріванні:

Лінія на діаграмі, позначена літерами GS. відповідає закінченню розчинення фериту в аустеніт в доевтектоїдних сталях, а лінія SE відповідає закінченню розчинення цементиту в аустеніт в заевтектоідних сталях.

Слід зазначити, що заевтектоідние стали при операціях термічної обробки не нагрівають вище лінії Аcт (така висока температура нагріву призведе до перегріву і погіршення властивостей сталі), а обмежуються нагріванням вище першої критичної точки ACl. що повністю забезпечує отримання необхідних властивостей.

Перетворення, що відбуваються в сталі при повільному охолодженні

У сталях, нагрітих до аустенітного стану, при досить повільному охолодженні відбудуться зворотні перетворення, а саме:

Навіть при дуже повільному охолодженні температура розпаду аустеніту не збігається з тими температурами, при яких аустеніт утворився при нагріванні. Чим швидкість охолодження більше, тим більше стає гистерезис, т. Е. Різниця між критичними температурами (точками) при нагріванні і охолодженні.

Перетворення, що відбуваються в сталі при швидкому охолодженні

Мал. 6. Мікроструктура загартованої сталі:

Перетворення, що відбуваються в сталі при охолодженні в середовищі, що має температуру вище 200 ° (ізотермічний перетворення)

Якщо деталь, нагріту вище критичної точки, помістити в середовище, що має температуру від 700 до приблизно 200 °, і витримати в ній до вирівнювання температури по всьому перетину, то аустеніт перетвориться в ту структуру, яка відповідає перетворенню при даній температурі.

Про поведінку стали при ізотермічної обробки, виборі температури і часу витримки судять по кривим ізотермічного перетворення, побудованим для різних марок сталі.

Мал. 7. Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту вуглецевої сталі.

Якщо вуглецеву інструментальну сталь, нагріту до 800 °, помістити в масло, розплавлену сіль або луг при температурі 250 °, в ній утворюється голчастий троостіт з високою твердістю Rc = 45-55. Якщо цю ж сталь охолодити в середовищі, що має температуру понад 600 °, в ній утворюється перліт і така сталь легко обробляється на верстатах. При охолодженні стали в середовищі з проміжними температурами утворюються структури троостита і сорбіту з відповідною твердістю.

Ізотермічний отжиг знайшов велике застосування при термічній обробці інструментальних сталей як процес, різко зменшує час в порівнянні з іншими видами відпалу.

Изотермическая гарт в інструментальному справі застосовується рідко через недостатню для інструменту твердості, що досягається при цьому процесі.

джерело:
Остапенко М.М., Кропивницького М.М. Технологія металів. М. Вища школа, 1970р.
Каменічний І.С. Практика термічної обробки інструменту. Київ, 1959 р