Материаловедение: конспект лекций

Алексеев Виктор Константинович

В легированных сталях выделяются две группы карбидов: группа I – M ₃ C, M ₂₃ C ₆, M ₇ C ₃ и M ₆ C и группа II – MC, M ₂ C (M – легирующий компонент – элемент). Карбиды I группы имеют сложную кристаллическую решетку и при соответствующем нагреве достаточно хорошо растворимы в аустени—те. Карбиды II группы имеют простую кристаллическую решетку, но растворяются в аустените лишь частично и при очень высокой температуре.

Некарбидообразующие элементы (легированные)

содержатся в легированных сталях в виде твердого раствора в феррите. Карбидообразующие легированные элементы могут находиться в различных структурных состояниях: они могут быть растворены в феррите или цементите (FeCr) ₃ C или существовать в виде самостоятельных структурных составляющих – специальных карбидов: WC, MoC и др. Местоположение карбидообразующих элементов в структуре стали зависит от количества введенных легирующих элементов и содержания углерода. Легирующие элементы, растворенные в феррите, искажают его кристаллическую решетку; уменьшают теплопроводность и электропроводность стали. Карбиды легирующих элементов отличаются весьма высокой твердостью (70–75 HRC) и износостойкостью, но обладают значительной хрупкостью. Они играют очень важную роль в производстве инструментальных сталей.

Как показали исследования, конкретному сечению стали должно соответствовать определенное количество легирующих элементов, иначе ухудшаются такие ее технологические свойства, как обработка резанием, свариваемость и др. Например, если содержание хрома или марганца превышает 1 %, увеличивается порог хладноломкости стали (порог хладноломкости, или критическая температура хрупкости, – это температура перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому, и наоборот).

2. Теория термической обработки

Задача термической обработки – путем нагрева и охлаждения вызвать необратимое изменение свойств вследствие необратимого изменения структуры. Любой вид термической обработки обычно изображается в координатах температура – время.

Собственно термическая обработка не предусматривает какого—либо иного воздействия, кроме температурного.

При термической обработке стали происходят следующие основные превращения:

1) превращение перлита в аустенит, происходящее при нагреве выше точки Ас₁ :

Fea + Fe₃ C -> Fev (C) или П – А;

Рис. 8. График термической обработки: _н – время нагрева, _в – время выдержки, ₀ – время охлаждения; t _max – максимальная температура; t_ист – истинная скорость охлаждения при данной температуре, v = t _max – средняя скорость охлаждения

2) превращение аустенита в перлит, происходящее при медленном охлаждении из? – области:

Fev (C) -> Fea (C) + Fe ₃ C или А -> П;

3) превращение аустенита в мартенсит, происходящее при быстром охлаждении из? – области:

Fev (C) -> Fea (C) или А -> М;

4) превращение мартенсита при нагреве (отпуске):

Fea (C) -> Fea + Fe₃ C или М -> П.

Описание структурных превращений, происходящих в стали при термической обработке, является одновременно и теорией термической обработки.

Превращение перлита в аустенит – необходимый этап для многих видов термической обработки.

Рис. 9. Диаграмма изотермического превращения перлита (П) в аустенит

Сталь с содержанием (А) углерода 0,8 %. Превращение перлита в аустенит реализуется при нагреве выше значения Ас ₁, причем с повышением температуры оно непрерывно ускоряется. При непрерывном нагреве с различной скоростью лучи v₁ и v₂ превращения начинаются в точке а' (а' ) и заканчиваются в точке b' (b' ), которая тем выше, чем больше скорость нагрева. В связи с этим чем быстрее нагрев, тем выше должна быть температура нагрева стали, для того чтобы вызвать полное превращение перлита в аустенит, включая полное растворение карбидов и гомогенизацию аус—тенита.

В интервале между точками а'Ь' (a» b») превращение идет с разной скоростью, но приблизительно в середине интервала превращение идет с сильным поглощением теплоты настолько бурно, что на кривой нагрева образуется площадка Это обычно и есть экспериментально определяемая температура превращения Ас₁.

При исходной перлитной структуре образование аустени—та идет из многих центров, и тотчас после окончания превращения перлита в аустенит образуется мелкозернистый аус—тенит.

Дальнейший нагрев ведет к росту зерна аустенита, осуществляемого по одному из следующих механизмов: путем слияния мелких зерен в крупные, путем миграции границ зерен. Процесс слияния происходит при более низкой температуре (от +900 до +1000 °C), чем миграция (> +1100 °C), но приводит к образованию отдельных более крупных зерен, т. е к разнозернистости.

При термической обработке механические свойства стали могут изменяться в очень широких пределах. Так, например, твердость стали, содержащей 0,8 % углерода, после такой обработки возрастает до 160–600 МВ.

3. Диаграмма изотермического превращения аустенита

На рис. 10 представлена диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода.

По оси ординат откладывается температура. По оси абсцисс – время.

Рис. 10. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита, т. е. выше критической точки, а затем быстро охлаждают, например до +700, +600, +500, +400, +300 °C и т. д., и выдерживают при