ЗАКАЛКА ( ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ)

Ф P S

0 Q

0,01 0,02 0,8 2,14 C, %

Рис. 2.2.1. «Стальной угол» диаграммы «Железо–цементит»

А1, А3, Асm – общепринятые обозначения критических линий

При нагреве сталей под закалку в них происходят превращения, обратные

тем, которые были рассмотрены в теме 2.1.1. Так эвтектоидная сталь при t > А1 (727 оС) приобретает однофазную аустенитную структуру, т.е.

В теме 2.1.1 отмечалось, что при последующем охлаждении аустенит при

t Ј А1, становится неустойчивым и распадается на смесь феррита и цементита, т.е.

ского превращения переохлажденного аустенита («С – диаграмма») – рис. 2.2.2.

Левая С – образная линия на рис. 2.2.2 характеризует время (t) начала, а правая – конца распада аустенита на смесь Ф и Ц (2.2.1) в зависимости от тем-пературы изотермической выдержки. Для удобства обозначим эти линии бук-вами «н» и «к» соответственно.

-

а) t,°С

Dt

А (равновесный)

Ф+Ц

А+Ф+Ц

А1(727°)

б)

А

(неравно- к

весный) н

0 lnt

Рис. 2.2.2. Диаграмма изотермического превращения

переохлажденного аустенита эвтектоидной стали1 (а) и харак-

теристики перлитных структур (б)

Слева от линии «н» аустенит может какое-то время сохраняться в переох-лажденном (относительно критической температуры А1=727оС), а значит не-равновесном, неустойчивом состоянии. Правее линии «к» распад аустенита

(2.2.1) завершается.

Степень дисперсности (величина, обратная размеру зерна) образующейся

в результате ферритоцементитной смеси (Ф+Ц) зависит от конкретной темпе-

ратуры t, при которой происходит распад переохлажденного аустенита, или,

что то же – от степени его переохлаждения

∆t = А1 – t. (2.2.2) С понижением температуры распада (увеличением ∆t) быстро уменьша-

ется скорость диффузионного роста образующихся кристаллов, т.е. происходит измельчение ферритоцементитной смеси, соответственно возрастает ее твер-дость.

В связи с этим принято различать три структуры перлитного типа: перлит, сорбит, троостит2. Они имеют одинаковое строение (это смеси пла-

1Поскольку в до – и заэвтектоидных сталях помимо перлитного превращения (2.2.1) проис-ходят изменения в структуре на линияхА3и Асmдиаграммы Fe–Ц, то и «С – диаграммы» этих сталей выглядят сложнее. Однако главные процессы, происходящие при закалке сталей, мо-гут быть поняты с помощью наиболее простой диаграммы, приведенной на рис. 2.2.2.

2Названия последних структур – по фамилиям исследователей: Sorby и Troost.

-

стинок Ф и Ц), но отличаются степенью дисперсности, а значит и твердостью.

На рис. 2.2.2,б приведены усредненные характеристики (d - средняя тол-

щина пластинок Ф и Ц, HRCэ- твердость) перлитных структур в эвтектоидной стали.

Все эти структуры получаются в результате превращения перлитного ти-па (2.2.1). Его протекание вызвано полиморфизмом железа и сплавов на его ос-

нове – сталей. Характерной чертой этого превращения является его диффузи-онный механизм (благодаря высоким температурам » 500…720оС и достаточно

длительным временным выдержкам). Это видно из реакции (2.2.1), где несов-

падение химического состава участвующих фаз означает активную диффузию

атомов углерода.

На практике различные типы перлитных структур получают обычно не

при изотермических выдержках, а при непрерывном охлаждении стали из ау-стенитного состояния с различными скоростями1. Степень дисперсности обра-

зующихся при этом феррито-цементитных смесей (и соответственно, тип пер-

литной структуры) зависит от величины скорости охлаждения V. Эта зависи-

мость отчетливо проявляется, когда на С – диаграмму наносят кривые охлаж-

дения t=f(t), наклон которых характеризует величину скорости охлаждения, так

как

Очевидно, что на рис. 2.2.3 V1<V2<V3< V4. Из рисунка следует, что чем больше скорость охлаждения, тем при более низкой температуре происходит распад переохлажденного аустенита, тем более дисперсной и твердой получа-ется перлитная структура: при скорости V1 – перлит, V2 – сорбит, V3 – троо-стит.

Видно также, что при скорости V і V4 аустенит не успевает превратиться ни в одну из перлитных структур, так как при таком быстром охлаждении «про-

1Это осуществляется использованием закалочных сред с различными охлаждающими спо-собностями.

-

скакивает» область высоких температур, в результате его диффузионный рас-

пад на феррит и цементит становится невозможным.

t,°С

А

(равновесный) А1(727°)

V1

Ф+Ц V2

tm

А V3(неравно-

Мн весный)

0 Мк

tm lnt

V4=Vкр

Рис.2.2.3. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита (эвтектоидная сталь) с нанесенными на нее скоро-стями охлаждения

tm и tm – температура и времи минимальной устойчивости пе-реохлажденного аустенита

Минимальная скорость охлаждения, при которой не происходит распада

аустенита на смесь Ф+Ц, называется критической скоростью закалки Vкр (она характеризуется наклоном линии V, касательной к кривой начала распада А на Ф и Ц, т.е. Vкр = V4).

Таким образом при охлаждении стали со скоростью V і Vкр (закалке, см. начало темы 2.2.1) аустенит переохлаждается до таких низких температур, где диффузия атомов практически отсутствует. Если бы стали не обладали поли-морфизмом, закалка приводила бы к сохранению аустенитной структуры1. На-личие полиморфизма вызывает g®a превращение аустенита, но, в отличие от перлитного превращения, бездиффузионным мартенситным путем при охла-ждении в интервале Мн…Мк (температуры начала и конца мартенситного пре-

1В общем случае под закалкой понимают сохранение высокотемпературного состояния с помощью быстрого охлаждения сплава.

-

вращения соответственно, см. рис. 2.2.3).

Равновесная a–фаза в сталях – это феррит – твердый раствор углерода в a–железе, содержащий Ј0,02 %С1. Из-за бездиффузионного характера мартен-ситного превращения содержание углерода в исходной g–фазе (аустените) и конечной a–фазе должно быть одинаково. Но, так как в аустените углерода го-раздо больше (0,8 %), в результате закалки a–фаза оказывается пересыщенной углеродом; она называется мартенситом.

Таким образом, мартенсит, как и феррит – твердый раствор углерода в a–Fe, но в отличие от феррита он пересыщен углеродом.

Вследствие этого пересыщения решетка мартенсита становится тет-рагональной (в отличие от ОЦК решетки феррита – рис. 2.2.4), она характеризу-

ется двумя параметрами с и а; очевидно, что степень тетрагональности

с

а

>1.

Рис. 2.2.4. Кристаллические решетки феррита и мартенсита

Образование мартенсита с тетрагональной решеткой приводит к появле-

нию сильных внутренних напряжений, резкому повышению плотности дисло-каций и степени дисперсности структуры, соответственно значительно возрас-тает твердость и прочность (вспомни пути повышения прочности, раздел 1.2.2 и 1.2.3). Очевидно, что действие перечисленных упрочняющих факторов тем эффективнее, чем больше углерода в стали, так как возрастает степень пересы-щения решетки мартенсита углеродом, увеличиваются степень тетрагонально-сти и внутренние напряжения. Поэтому твердость закаленной стали (мартен-

1Такой низкий предел растворимости С в a–Fe обусловлен отсутствием в ОЦК решетке фер-рита необходимых по размеру межатомных пустот для размещения атомов углерода.

-

сита) растет с увеличением содержания в ней углерода – рис. 2.2.5.

HRCэ

М 60 закалка

40 Т

20 С отжиг П

0 0,2 0,4 0,6 0,8 C, %

Рис. 2.2.5. Влияние содержания углерода на твердость стали в закаленном и отожженном состояниях. Для сравнения наряду с твердостью мартенсита (М) приведены значения твердости перлита (П), сорбита (С), троостита (Т) эвтектоидной стали

На этом же рисунке для сравнения приведены твердости перлитных структур в эвтектоидной стали (из данных рис. 2.2.2,б), а также зависимость твердости сталей в отожженном состоянии от содержания углерода (из рис. 2.1.3).

Из рис. 2.2.5 отчетливо видно, что:

1) степень упрочнения стали в результате закалки (характеризуется раз-ницей между двумя зависимостями HRCэ = f(С)) возрастает пропорционально содержанию в ней углерода;

2) мартенсит – самая твердая из всех структур, которые могут быть полу-чены из переохлажденного аустенита. Это основное достоинство мартенсита (закаленной стали), но, к сожалению, он обладает повышенной хрупкостью, ко-торая растет с увеличением содержания углерода в стали. Поэтому после закал-ки на мартенсит стали необходимо подвергать отпуску, главная цель кото-рого повышение пластичности и ударной вязкости закаленной стали.