Основы термической обработки сталей

Уральский государственный лесотехнический  университет

Кафедра технологии металлов

Блюм  Э.Э., Потехин Б.А., Резников В.Г.

.

Основы  термической обработки  сталей 
  (конспект лекций) 
для самостоятельной работы студентов очного и заочного факультетов

.

1. Превращения при нагреве и охлаждении стали

1.1. Кристаллическое  строение металлов

      Металлы и сплавы тела кристаллические - атомы  в них расположены в определенном порядке в пространстве. Порядок  в расположении атомов в пространстве называют кристаллической решеткой.

      В чистых металлах, т.е. при наличии  атомов одного элемента, возможно 14 вариантов  расположения атомов. Это обусловлено  тем, что в кристалле каждый атом должен иметь одинаковое количество атомов-соседей, расположенных от него на одинаковом расстоянии.

      В химических соединениях, т.е. при наличии  атомов различных элементов, число  возможных комбинаций в расположении атомов (типов решеток) становится бесконечно большим. Подавляющее большинство металлов и сплавов имеют сравнительно простые кристаллические решетки (см. рис. 1)

      Наибольший  интерес представляет строение железа и его сплавов (стали и чугуны)

      Железо  ниже температуры 911⁰С имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку (ОЦК) и называется aFe. Такое же строение могут иметь некоторые другие металлы (Ti, V, W, Mo, Cr, Mn).                                    

      При температурах 911-1390⁰С железо имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку (ГЦК) и называется  gFe. Такая же решетка имеется у некоторых других металлов (Cu, Al, Pb).

      Кратчайшее  расстояние между центрами атомов в  кристаллической решетке называется параметром решетки (а). Параметры измеряют в ангетремах (А) или килоиксах (КХ)

1А  = 1*10^-8  см

1 КХ = 1,00202А

Параметры решетки соизмеримы с радиусом атомов. Например, у aFe а=2,8608А, R_ат=1,26А,у gFe а=3,649А, R_ат=1,29А  

 

1.2. Аллотропия металлов 

      Аллотропия - способность некоторых металлов изменять тип кристаллической решетки при изменении внешних условий (температуры и давления). Обычно каждый тип решетки устойчив в определенном интервале температур, но в некоторых случаях, например при быстром охлаждении может одновременно существовать несколько типов решеток. Различные модификации (типы решеток) одного и того же металла обозначают греческими буквами: a, b, g, d  и т.д.   Буквой   обозначается самая низкотемпературная модификация.

      Например, при нагреве железа происходят следующие  превращения:

aFe ® bFe ® gFe ® dFe ® Ж                                             

 магнитно     не магнитны

      Признаки  аллотропического превращения следующие:

1. Изменяется  тип кристаллической решетки; 

2. Наблюдается  тепловой эффект;

3. Свойства  изменяются скачком

      Таким образом в железе наблюдается  два аллотропических превращения (при температурах 911 и 1390⁰).

      С изменением типа кристаллической решетки   железа  резко изменяется растворимость в нем углерода. Так максимальная растворимость углерода в aFe 0,02% (при    t=723⁰), а в gFe 2,14% (при t=1130⁰). Это черезвычайно важно для понимания процессов происходящих при термической обработке стали.         

 Аллотропия  наблюдается в ряде металлов (Sn, Ti, Ni, Mn, Cr и др.).

1.3. Строение металлических  сплавов

      Химические  элементы из которых состоит сплав  называют компонентами. При взаимодействии компонентов в сплавах образуются фазы. Фаза - однородная часть сплава отделенная от других поверхностью раздела. При изучении процессов, происходящих при нагреве и охлаждении сплавов, используются диаграммы состояния, которые строят опытным путем. Диаграммой состояния называют график, который показывает фазовое состояние сплава в зависимости от температуры и химического состава. Следует иметь в виду, что диаграммы состояния построены для условий медленного нагрева или охлаждения.

      В сплавах могут быть следующие  типы твердых фаз: кристаллы чистых компонентов, кристаллы твердых растворов, кристаллы химических соединений.

      Кристаллы чистых компонентов состоят из одинаковых атомов, расположенных в виде кристаллической решетки.

      Кристаллы твердых растворов состоят из разноименных атомов, образующих общую кристаллическую решетку, тип которой такой же, как у одного из входящих компонентов. При рассмотрении в микроскоп твердые растворы выглядят, как чистые металлы, т.е. являются однофазными. В отличие от химических соединений твердые растворы существуют не при определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Поэтому они на диаграммах состояния всегда занимают определенные области. Твердые растворы, как правило, имеют невысокую твердость.

      В промышленных сплавах  наиболее часто встречаются два типа твердых растворов: замещения и внедрения.

      В твердых растворах замещения  атомы растворимого элемента занимают в кристаллической решетке  места атомов растворителя. Такие твердые растворы могут быть ограниченной и неограниченной растворимости. При неограниченной растворимости любое количество атомов одного компонента может быть заменено атомами другого компонента. Это возможно при выполнении следующих условий: у обоих компонентов одинаковый тип кристаллической решетки, сходное строение валентной электронной оболочки атомов, малое различие в размерах атомов.

      Если  у двух металлов с одинаковым типом  кристаллической решетки диаметры атомов различаются значительно, то растворение второго компонента приводит к сильным искажениям кристаллической  решетки. Когда эти искажения достигают определенной величины, решетка становится неустойчивой, что приводит к пределу растворимости.

      Твердые растворы замещения всегда образуются между металлами, например, железо с  Cr, Mn, Ni, W, Co.

      В твердых растворах внедрения  атомы растворимого элемента размещаются в междуузельных пространствах кристаллической решетки элемента растворителя. Такие твердые растворы образуются в том случае, когда диаметр атомов растворимого элемента много меньше, чем диаметр атомов элемента растворителя. Поэтому такие твердые растворы образуются между металлами и неметаллами (С,Н,О,N), имеющими малые размеры атомов. Образование таких твердых растворов приводит к некоторому искажению кристаллической решетки и к увеличению параметра решетки. Примером таких твердых растворов в стали служит феррит (твердый раствор внедрения углерода в aFe) и аустенит (твердый раствор внедрения углерода в gFe).Схемы твердых растворов замещения и внедрения показаны на рис. 2.

      Следует, однако,  иметь в виду, что в промышленных сплавах, например в сталях, нет  в чистом виде твердых растворов замещения и внедрения. Даже простые углеродистые стали представляют собой сложные многокомпонентные сплавы, в которых образуются твердые растворы внедрения на базе твердых растворов замещения.

      Химические  соединения - такие фазы, которым можно приписать простые стехиометрические формулы. Они имеют обычно сложную кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, тип которой отличается от решеток входящих в них компонентов. Состав химических соединений, в отличие от тверды растворов, постоянный и не изменяется с изменением температуры. Поэтому на диаграммах состояния химические соединения показывают вертикальной  прямой  линией.

      Свойства  химических соединений всегда сильно отличаются от свойств   входящих в них компонентов.

      В сталях наибольший интерес представляет химическое соединение Fe₃C, обладающее высокой твердостью и хрупкостью.

      При рассмотрении сплавов в микроскоп  видны структурные составляющие. Структурными составляющими называют участки сплава, которые выглядят одинаково (светлыми, темными, пестрыми). Структурные составляющие выявляют путем травления полированных образцов-шлифов кислотами или другими реактивами. Структурные составляющие могут состоять из одной или нескольких фаз.

      Все сплавы в твердом состоянии могут состоять из следующих структурных составляющих:

1. Кристаллов  твердых растворов,

2. Кристаллов  химических соединений,

3. Механической  смеси кристаллов различных типов  (кристаллов чистых компонентов,  твердых растворов и химических  соединений).

      При образовании механических смесей особо  выделяют однородные механические смеси, которые являются самостоятельными   структурными составляющими и при рассмотрении в микроскоп выглядят однородными участками.

      Если  однородная механическая смесь образовалась при кристаллизации из жидкого состояния, то она называется эвтектикой. Например, при кристаллизации  белого чугуна содержащего 4,3%С образуется эвтектика (однородная  механическая смесь состоящая из аустенита и цементита), которая имеет специальное название ледебурит.

      Если  однородная механическая смесь кристаллов образовалась в твердом состоянии, то она называется эвтектоидом. Например, в углеродистой стали  содержащей  0,83%С при охлаждении ниже 723⁰ аустенит распадается на феррит и цементит. Такая однородная механическая смесь в сталях имеет специальное название - перлит.

1.4. Превращения в  стали при нагреве

      Термическая обработка стали состоит в  нагреве до определенной температуры, выдержке и охлаждении с определенной скоростью.

      При кажущейся простоте этих операций в процессе их выполнения в стали протекают сложные процессы, которые и определяют свойства после термической обработки.

      На  рис. 3. Показан фрагмент диаграммы Fe-C, где находятся углеродистые стали. Линии на диаграмме имеют специальные обозначения. Линия А₁ (723⁰) показывает начало образования аустенита при нагреве, линия А₃ - конец образования аустенита, линия А_ст - конец растворения цементита в аустените.

      После медленного охлаждения, а диаграмма  и построена при медленном  охлаждении, структуры стали в зависимости от содержания  углерода будут различными.