Термообработка стали

                                       Задание 1

По диаграмме состояний «железо-цементит», опишите какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода. Охарактеризуйте этот сплав и определите для него при заданной температуре количество, состав фаз и их процентное соотношение.

С=0,6%       t=700 С

 

 

Рисунок 1 – Диаграмма состояний Fe—Fe3C

 

             Зная диаграмму состояния сплавов данной системы, можно определить температуру сплава для получения отливок, склонность к ликвации, температурные интервалы горячей обработки давлением (ковка, прокатка, прессование и др.) и температуры нагрева при осуществлении различных видов термической обработки. По диаграмме состояния можно определить структуру сплава в тот или иной момент времени медленного нагрева, выдержки или медленного охлаждения вплоть до комнатной температуры. Кроме того, для любой температуры любого сплава можно указать не только его состояние (расплавленное, полузатвердевшее или полностью затвердевшее), но и фазы его состояния (их количество, процентное соотношение и химический состав). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% - чугуном.             Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода, называют доэвтектоидными , а от 0,8 до 2,14% углерода –заэвтектоидными. В нашем случае содержание углерода 0,6%, следовательно это сталь доэвтектоидная.

               Рассмотрим фазовые и структурные изменения. В интервале температур t8–727 °C идет полиморфное превращение А® Ф. Состав аустенита меняется по линии GS, а феррита – по линии GP. При 727 °С концентрация углерода в аустените равна 0,8 % (точка S) и в феррите – 0,025 % (точка Р). Ниже этой температуры происходит эвтектоидное превращение. В равновесии находятся три фазы: феррит состава точки Р, аустенит состава точки S, цементит. Так как число степеней свободы равно нулю, т.е. имеется нонвариантное равновесие, то процесс протекает при постоянном составе фаз. На кривых охлаждения или нагрева наблюдается температурная остановка. Таким образом, структура доэвтектоидной стали характеризуется избыточными кристаллами феррита и эвтектоидной смесью феррита с цементитом, называемой перлитом. Количественные соотношения феррита и перлита зависят от состава сплава. Чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем больше в структуре ее перлита и, наоборот, чем меньше углерода, тем больше феррита и меньше перлита. При дальнейшем охлаждении в результате изменения растворимости углерода в феррите (соответственно линии РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре обнаружить его при наличии перлита невозможно.

              Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит + перлит.

 

                                    а)                                                                   б)

Рисунок 2: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,6% углерода

 

Линии диаграммы: АВСВD  (линия ликвидус - место точек начала кристаллизации) и AHJECF (линия солидус - место точек конца кристаллизации) характеризуют начало и конец первичной кристаллизации, происходящей при затвердевании жидкой фазы. Линии ES и PQ показывают предельную растворимость углерода соответственно в аустените и феррите.

При понижении температуры растворимость уменьшается и избыток углерода выделяется в виде цементита. Цементит, выделяющийся из жидкого сплава, принято называть первичным, из аустенита - вторичным, из феррита - третичным. Три горизонтальные линии HJB, ECF и РSК указывают на протекание трех превращений при постоянной температуре. При 1499 °С (горизонталь HJB) происходитперитектическая реакция LB +Фн→AJ. В результате реакции образуется аустенит. При 1147еС (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция LC →АE+Ц (жидкость, состав которой соответствует точке С, превращается в эвтектическую смесь аустенита, состав которого соответствует точке Е, и цементита, называемую ледебуритом). При 727 оС (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция A → ФР +Ц (в отличие от эвтектики, образующейся из жидкости,  эвтектоид возникает из твердых фаз). Продукт превращения - эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. После специальной термической обработки перлит может иметь зернистое строение. Однофазные области диаграммы Fe – Fe3C: жидкий расплав (L) - выше линии АВСD, феррит (Ф) – области ANH и GPQ, аустенит (А) - область JESGN. Двухфазные области диаграммы:  AHB  - в равновесии находится жидкий расплав и кристаллы δ -феррита, NHJ - в равновесии кристаллы δ -феррита и аустенита, JECB - в равновесии жидкий расплав и кристаллы аустенита, CDF - в равновесии жидкий расплав и кристаллы цементита, SECFK - в равновесии кристаллы аустенита и цементита, GSP - вравновесии кристаллы аустенита и α -феррита, QPSKL   - в равновесии кристаллы α -феррита и цементита.

 

Для того чтобы у сплава заданного состава (0,6%С) при заданной температуре (700 С) определить концентрацию фаз и их весовое соотношение, необходимо через точку пересечения состава сплавов и температуры (точка «0») провести горизонталь влево и вправо до ближайших линий фаз на диаграмме состояния. Точки пересечения укажут концентрацию фаз, а отрезки будут обратно пропорциональны весу фаз.

В точке «0» структура сплава (0,6%С, t=700С) – феррит и перлит. Из структуры определяем фазы: феррит и перлит. Точка пересечения «а» укажет содержание углерода в феррите (0,1%С). Для определения содержания углерода в перлите через точку «0» вправо проводим горизонталь. Точка пересечения «в» укажет концентрацию углерода в перлите (0,8%С). Для опрделения весового соотношения фаз необходимо воспроизвести указанные отрезки:

                Рфер                                 Рперл

 

     а                      0                                                           в

   Фер0,1%С          0,6%С                                                Перл0,8%С

 

Соотношение величин отрезков будет обратно пропорционально соотношению весовых долей фаз, т.е. отрезок «ов», прилегающий к фазе феррита будет пропорционален весу перлита. Отрезок «ао» будет пропорционален весу феррита.

Р/Р=ав/ао=0,8-0,6/0,6-0,1=0,2/0,5=0,4

 

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие: 
1. Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; φ=80%). 
2. Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Эта температура является нижней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пластичен (δ=40-50%). 
3. Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ~800), хрупок и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe3C→3Fe+C. 
4. Графит - это свободный углерод, мягок (НВ 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава. 
5. Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид, т. е. подобный эвтектике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σв=800 МПа; относительное удлинение δ=15%; твердость НВ 160. Перлит образуется следующим образом. Пластинка (глобуль) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неметаллическое включение. При этом соседние области обедняются углеродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образованию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита. 
6. Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727°С ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь перлита с цементитом. 
Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды – соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые структурные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5-0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна.

 

В сплавах системы Fe-Fe3C встречаются следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы на основе различных кристаллических модификаций железа, химическое соединение Fe3C (цементит). На рис.3 представлена диаграмма состояния железо-цементит в фазовом виде.

Рисунок 3 - Фазовая диаграмма состояния железо-цементит

Жидкая фаза представляет собой неограниченный раствор железа и углерода, распространяющийся выше линии ликвидус АСD – от 0 до 6.67 %С.

Твердые растворы. В данной системе имеются твердые растворы железа с углеродом на основе двух кристаллических модификаций железа. Они являются твердыми растворами внедрения, т.е. атомы железа занимают узлы пространственной решетки, а атомы углерода размещаются в междоузлиях.  Твердый раствор углерода в a -железе называется ферритом. В феррите сохраняется кристаллическая решетка a -железа – объемно-центрированный куб. Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу QPG. Максимальная растворимость углерода в нем не более 0,025 %, при комнатной температуре она равна 0,006 %. Твердость феррита около 800–1000 МПа, предел прочности s в~250 МПа; s т~ 120 МПа, относительное удлинение (d ) до 50 %, а поперечное сужение Y -до 80 %. До температуры 770 ° С феррит ферромагнитен, выше – парамагнитен. Значительно большую область на диаграмме железо-углерод занимает твердый раствор углерода в g -железе с гранецентрированной кубической решеткой, который называется аустенитом. 
 
В аустените предел растворимости достигает 2,14 %. Твердость его равна 1700 – 2000 МПа, s в – 50 – 80 МПа. Аустенит обладает и малой склонностью к хрупкому разрушению. Как в феррите, так и в аустените осуществляется металлический тип связи.

Цементит. При обычном охлаждении в металлической изложнице, т.е. при значительных переохлаждениях (D Т) процесс затвердевания протекает по метастабильной диаграмме. Углерод в этом случае находится в связанном состоянии в виде карбида железа Fe3C, называемого цементитом. Цементит содержит 6,67 %С, обладает сложной орторомбической решеткой. В решетке цементита реализуются связи как ковалентные так и металлического типа. Это подтверждается высокой твердостью (~ 10000 МПа) и хрупкостью, характерными для промежуточных фаз. Температура плавления цементита точно не установлена и принимается равной ~ 1600 °С.

 

Кристаллизация доэвтектоидной стали, содержащей более 0,51 %С (рис. 4), начинается в точке 1, где в жидкой фазе зарождаются первые зерна аустенита, и заканчивается в точке 2. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус BС, а аустенита - по линии солидус JE. Между точками 1 и 2 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – жидкость и аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита. Между точками 2 и 3 идет охлаждение аустенита. Между точками 2 и 3 число степеней свободы с = 2 – 1 + 1 = 2 (два компонента – железо и углерод, одна фаза – аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. В интервале от точки 3 до точки 4 происходит превращение аустенита - выделяя низкоуглеродистый феррит, аустенит обогащается углеродом в соответствии с линией GS и в точке 4 концентрация углерода в нем достигает эвтектоидной - 0,8%С. Между точками 3 и 4 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – аустенит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. При постоянной температуре 727 °С (площадка 4-4') происходит эвтектоидное превращение A → ФР +Ц  аустенита в мелкодисперсную механическую смесь феррита и цементита, называемую перлитом. В точке 4 число степеней свободы с = 2 – 3 + 1 = 0 (два компонента – железо и углерод, три фазы – а устенит, феррит и цементит), что подтверждает выделение перлита при постоянной температуре. При дальнейшем охлаждении до точки 5 происходит выделение из феррита избыточного углерода (в связи с понижением растворимости по линии диаграммы PQ) в виде третичного цементита. Между точками 4 и 5 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – феррит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. Конечная структура Ф + П +ЦIII (феррито-перлитная).

Количественное соотношение между ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода (чем выше содержание углерода, тем больше перлита).

Рисунок 4

 

 

 

                                          Задание 2

Расшифровка марок:

40 – углеродистая, конструкционная, качественная сталь с нормальным содержанием марганца (Mn≤0,7%). Содержание углерода С=0,4% (среднеуглеродистая, т.к. углерода содержится 0,25-0,6%С). ГОСТ 1050 - 88

 

60С2ХФА – легированная, конструкционная, высокого качества. (низколегированная, т.к. содержание легирующих элементов до 5%).

ГОСТ 801 -87

Углерод С=0,6%

Кремний (Si) С=2%

Хром (Сr) Х=1%

Ванадий (V) Ф=1%

 

Р12Ф4К5 – легированная, инструментальная, быстрорежущая, высокого качества. (высоколегированная, т.к. содержание легирующих элементов свыше 10%). ГОСТ 4543 -88

Углерод С=1%

Вольфрам W=12%

Ванадий (V) Ф=4%

Кобальт (Co) К=5%

 

 

 

 

 

 

 

Термическая обработка заключается в целенаправленном изменении структу-

ры и свойств металлов и сплавов методом теплового воздействия. Она является составной частью большинства технологических процессов изготовления деталей машин, инструмента и полуфабрикатов, так как позволяет в широких пределах изменять механические, физико-химические и технологические свойства металлов и сплавов.

Сплавы	σв, МПА
	до термической обработки	после термической обработки
Углеродистые стали	350…600	700…1200
Легированные конструкционные стали	500…700	1000…2200

 

Графики термической обработки:

 

Р12Ф4К5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5 Графики рекомендуемых   режимов  предварительной термической обработки быстрорежущей стали Р12Ф4К5

а — изотермический отжиг после горячей механической обработки и сварки; б — изотермический отжиг после сварки с использованием тепла, выделяемого при сварке:в — кратковременный отжиг после горячей механической обработки; г — высокий отпуск для улучшения деформирования в холодном состоянии (производится после отжига); д — обработка для улучшения чистоты поверхности при резании; е — обработка перед повторной закалкой.