Класифікація вуглецевих сталей

Залізо-вуглецеві сплави

Сталь - багатокомпонентний сплав, хоча визначення сталі – сплав заліза і вуглецю, при вмісті вуглецю до 2,14 %. Основа Fe-C сплавів це Fe і C.Постійними домішками сталей є: Mn, Si, S, P, O, H, N, Cr, Ni та інші. Mn і Si переходять в сталь під час її розкислення. S і P попадають із руди, Cr і Ni – із шихти та легованого металолому. O, H, N – присутні у вигляді неметалевих включень.

Властивості сталей формує вуглець, а постійні домішки, в залежності від їх кількості, впливають на ці властивості.

Вплив вуглецю. Сталь після повільного охолодження, тобто у відпаленому стані, складається із двох фаз – Ф і Ц. Кількість Ц збільшується прямо пропорційно вмісту вуглецю. Твердий і крихкий Ц підвищує тимчасовий опір, твердість, межу плинності, але знижує характеристики пластичності (ψ, δ, KCV, K _1С). Підвищення вмісту вуглецю полегшує перехід сталі в крихкий стан, кожна 0,1% С підвищує поріг холодноламкості на 20 °С і розширює перехідний інтервал від в'язкого до крихкого стану, при цьому знижується густина сталі, зростає електроопір і коерцитивна сила, знижується теплопровідність, залишкова індукція та магнітна проникність.

Вплив кремнію. Гарно розкислена сталь містить не більше 0,37% кремнію, він дегазує метал і підвищує густину зливка. Після розкислення Si залишається у твердому розчині (у Ф), сильно підвищує межу плинності, знижує здатність сталі до витяжки та холодної висадки. Тому у сталях, які піддають холодній пластичній деформації – штамповці, висадці, вміст кремнію повинен бути мінімальним.

Вплив марганцю. Максимальний вміст марганцю 0,8%, він знижує вміст сірки, суттєво підвищує міцність, практично не знижує пластичність та різко знижує червоноламкість за рахунок зв'язування сірки, яка присутня у вигляді FeS у власний сульфід. Марганець розчиняється у фериті і цементиті.

Вплив сірки. Сірка – це негативна домішка, верхня границя вмісту сірки 0,05%. Сірка з залізом утворює сполуку FeS, яка практично не розчиняється у твердому залізі, а з рідким залізом утворює легкоплавку евтектику з t_пл=988°С. При кристалізації евтектика розташовується по межах зерен і при наступному нагріванні сталі до 1000 – 1200 °С під час кування чи прокатки вона розплавляється. При деформації сталі в місцях розташування евтектики виникають тріщини і надриви. Це явище називається червоноламкістю.

Сполуки сірки знижують ударну в'язкість і характеристики пластичності у поперечному напрямку витяжки, знижується і межа витривалості. При збільшенні вмісту сірки знижується робота розвитку тріщини і в'язкість руйнування, сірка погіршує зварюваність і корозійну стійкість сталей. Вміст сірки в сталі суворо обмежується і залежить від якості сталі.

Автоматні сталі S=0,08 – 0,3 % P≤ 0,05 %

Сталі звичайної якості S ≤ 0,05 % P≤ 0,04 %

Якісні S ≤ 0,04 % P≤ 0,035 – 0,04 %

Високоякісні S ≤ 0,025 % P≤ 0,025 %

Вплив фосфору. Фосфор розчиняється у фериті, дуже сильно деформує кристалічну гратку і підвищує межу міцності і плинності, але знижує пластичність і в'язкість, і причому сильніше при збільшенні кількості вуглецю. Фосфор підвищує поріг холодноламкості сталі і знижує роботу розвитку тріщини. Сталь, яка містить фосфор в кількості 0,05 % має роботу розвитку тріщини у 2 рази меншу, ніж сталь з вмістом 0,005 % P. Кожна 0,01 % P підвищує поріг холодноламкості на 20 – 25 °С. Здатність фосфору до сегрегації по границях зерен сприяє окрихчуванню при низьких температурах, це явище називається холодноламкістю. Фосфор має велику схильність до ліквації, тому внутрішня частина зливку сильно збагачена фосфором і характеризується низькою в'язкістю.

Вплив газів. Водень, азот, кисень в сталях містяться в невеликих кількостях, і кількість їх залежить від способу виробництва сталі. Гази присутні у різних несуцільностях, у твердому розчині, у формі різних сполук – неметалевих включень – нітриди, оксиди. Неметалеві включення знижують межу витривалості та в'язкість руйнування.

Дуже негативною домішкою є водень, оскільки він сильно окричує сталь. Водень у катаних заготовках утворює флокени – тонкі тріщини овальної чи округлої форми, які у зломі мають вигляд п'ятна чи пластівців сріблястого кольору. Флокени різко погіршують властивості сталі. Водень при заварюванні сприяє утворенню холодних тріщин.

Домішки кольорових металів присутні в сталях в кількості сотих долей %, і попадають в сталь з металевого лому, це Cu, Ni, Cr, Zn, Sn, Sb та ін. Ці домішки практично не впливають на механічні властивості сталей, хоча по деяким даним домішки кольорових металів підвищують поріг холодноламкості.

Чавуни

Чавунами називаються сплави заліза і вуглецю, які містять більше 2,14 % вуглецю. В залежності від стану вуглецю чавуни бувають білими та сірими. Так як і сталі, чавуни це не прості подвійні сплави, а це багатокомпонентні сплави. Вони містять ті ж постійні домішки – Mn, Si, P, S, але в більших кількостях, тому суттєво впливають на процес графітизації чавуну і відповідно на структуру ат властивості.

Марганець підвищує зносостійкість чавуну, усадку, крихкість. Розчиняючись у цементиті підвищує його стійкість при розпаді, тобто сприяє відбілюванню чавуну. Вміст Mn у сірих чавунах допускається 0,5 – 1,0 %.

Кремній міститься у чавунах в кількості (0,3 – 0,5) – (3,0 – 5,0) %. Він дуже сильно впливає на процес графітизації, підсилює графітизацію чавуну. Таким чином Si у чавунах – корисна домішка, чим його більше, тим більше фериту.

Сірка – сприяє відбілюванню чавуну і погіршує ливарні властивості (сильно зменшується рідкотекучість). Сірка підвищує твердість, знижує механічні властивості, підсилює схильність до утворення тріщин. Вміст сірки, в залежності від розмірів відливки коливається в межах 0,08 (малі) – 0,12 % (крупні).

Фосфор – практично не впливає на процес графітизації чавуну, це корисна домішка, оскільки фосфор покращує рідко текучість чавуну. Це пояснюється утворенням легкоплавкої потрійної евтектики (Fe₃C – Fe₃P – Fe) з температурою плавлення 950 °С. Тверді ділянки фосфідної евтектики підвищують твердість та зносостійкість чавуну. Високофосфористі чавуни (1% Р) використовуються для литва виливок складної форми, художнього литва, а у звичайних чавунах вміст Р=0,3 – 0,5 %. Підвищений вміст фосфору рекомендується і для антифрикційних чавунів які працюють при малих питомих тисках.

Білий чавун

Білим називається чавун, у якого весь вуглець знаходиться у зв’язаному стані у вигляді цементиту. Цей чавун кристалізується у відповідності з діаграмою залізо – цементит і відрізняється високою крихкістю. Колір чавуну сріблясто – білий. Фазовий склад чавунів при кімнатній температурі такий же як і у сталей – Ф+Ц, але властивості відрізняються, оскільки у білих чавунах велика кількість цементиту.

По кількості вуглецю і структурі білі чавуни діляться на доевтектичні (2,14 – 4,3% С), евтектичні (4,3% С), заевтектичні (4,3 – 6,67% С). У промисловості використовуються в основному до евтектичні чавуни, які мають структуру П+Л+Ц_ІІ. Із білих чавунів виливають валки прокатних станів, стрілки трамвайних рейок, бандажі вагонних коліс, кулі різних млинів. Із цього чавуну отримують ковкий чавун. Як правило, відливки мають структуру половинчастого чавуну, у якого на поверхні утворюється структура білого чавуну, а серцевина представляє собою сірий чавун. Білий чавун – це переробний чавун, який іде на виплавку сталей.

Сірі чавуни

Сплав заліза та вуглецю, у якого вуглецю більше 2,14% С називається чавуном. Присутність евтектики чавуну обумовлює його використання в якості ливарного сплаву. Сірим називається такий чавун, у якому весь вуглець перебуває у вільному стані у вигляді графіту.

Утворення графіту у чавуні може відбуватися безпосереднім виділенням його із рідкого розплаву, або внаслідок розпаду попередньо утвореного цементиту. Утворення вуглецю у формі графіту називається графітизацією. Кристалізація графіту із рідкого розплаву проходить при більш високій температурі ніж кристалізація цементиту.

В стабільній системі Fe – C при температурі, яка відповідає лінії С´D´ кристалізується не цементит, а графіт.

Вірогідність утворення у рідкій фазі (або аустеніті) метастабільного цементиту, який містить 6,67 %С,значно вища ніж графіту, який складається тільки з атомів вуглецю. Графіт утворюється тільки при дуже малій швидкості охолодження, коли ступінь переохолодження рідкої фази невелика. При переохолодженні рідини нижче 1147 °С утворюється цементит.

У рідкому чавуні присутні різні включення, які полегшують утворення та ріст графітних зародків. При наявності готових зародків процес утворення графіту може відбуватися і при температурах нижче 1147 °С. До цього призводить і легування чавуну кремнієм, який сприяє процесу графітизації.

Графіт, який утворюється із рідкої фази, росте із одного центру і, розгалужуючись у різні сторони, набуває форму сильно викривлених пелюсток. В площині шліфа графіт має вигляд або завихрених пластинок, які представляють собою різні розрізи графітних пелюсток.

Основний вплив на властивості чавунів надає вуглець у формі графіту. Графіт може бути: пластинчатий, пластівцевий, кулястий та вермикулярний.

У звичайному сірому ливарному чавуні графіт має пластинчасту форму, чавун з пластівцевою формою – ковкий, а з кулястою – високоміцний. Властивості чавунів в значній мірі залежать від форми, кількості та характеру розподілу графіту.

Графіт в порівнянні зі сталлю має низькі механічні властивості, а тому графітні включення можна вважати пустотами, мікротріщинами. Чим більший об'єм займають пустоти, тим нижче властивості чавунів. Чим більше у чавуні графіту, тим нижчі його механічні властивості. Чим грубіші включення, тим більше вони роз'єднують металеву основу, тим гірші властивості чавуну. Графітні пластинки, які відіграють роль тріщин, гострих надривів у металі, сильно знижують опір розвитку тріщин, межу міцності при розтягуванні. Опір розриву, вигину, скручуванню визначаються в основному кількістю, формою і розмірам графітних включень. Ці властивості чавунів значно нижчі ніж у сталях. Негативний вплив графітних включень на властивості чавунів зменшується по мірі заокруглення графіту і змінюється від пластівцевої до кулястої, оскільки куляста форма не створює різких концентрацій напружень і такі включення не являються тріщинами у чавуні.

Металева основа чавуну може складатися із перліту (кількість зв'язаного вуглецю 0,8%), або із фериту і перліту (кількість зв'язаного вуглецю менше 0,8%) або тільки фериту (С≤ 0,025%). Тому, в залежності від структури металевої основи розрізняють: перлітний чавун - П+Г, ферито-перлітний – П+Ф+Г, та феритний – Ф+Г.

На характеристики міцності суттєво впливає структура металевої основи. Чавун з перлітною структурою має найбільшу твердість, міцність та зносостійкість. Присутність фериту у структурі металевої основи призводить до зниження характеристик міцності і зносостійкості. Пластичність чавунів мало залежить від структури металевої основи.

Форма графітних включень мало впливає на твердість чавуну, але на міцність і пластичність впливає в значній мірі. Найбільш благодатною формою є куляста, а пластинчатий графіт знижує міцність і пластичність чавуну.

Сірий чавун (ливарний)

Сірий чавун – це чавун з пластинчатою формою графітних включень. Він утворюється при графітизації за діаграмою залізо - графіт. При литві з наступним повільним охолодженням графіт набуває пелюсткову (розеточну) форму, яка у розрізі має форму пластинок.

Графіт зменшує (як пустота) міцність і пластичність, опір відриванню, тимчасовий опір. Відносне подовження при розтягуванні сірого чавуну не залежно від металевої основи практично дорівнює нулю. Графітні включення мало впливають на зменшення межі міцності при стисканні та твердість, величина яких залежить від металевої матриці. При. стисканні чавун зазнає значної деформації, руйнівне навантаження при стисканні в залежності від якості чавуну і його структури в 3-5 разів більше ніж при розтягуванні. Тому такий чавун рекомендується застосовувати для виробів, що працюють на стискання.

Графіт значно менше знижує міцність при згинанні ніж при розтягуванні.

Графіт, порушуючи суцільність металевої основи, робить чавун малочутливим до різного роду концентраторів напружень (дефектів поверхні, надрізів, виточок). Внаслідок цього чавун має приблизно однакову конструкційну міцність у виливках простої форми або з рівною поверхнею і складною формою з надрізами або з погано обробленою поверхнею. Графіт підвищує зносостійкість і антифрикційні властивості чавуну завдяки власне змазуючій дії і підвищенню міцності плівки змащуючого матеріалу. Графіт покращує оброблюваність різанням, він робить стружку ламкою.

Металева основа у сірому чавуні забезпечує найбільшу міцність та зносостійкість при перлітній основі. Присутність фериту, не підвищуючи пластичність і в'язкість чавуну, знижує його міцність та зносостійкість. Феритний чавун має найменшу міцність. Сірий чавун має високі демпфірувальні властивості, він добре гасить вібрації і резонансні коливання, високі антифрикційні властивості.

Сірий чавун маркується буквами «СЧ» і цифрами, що характеризують границю міцності матеріалу при випробовуваннях на розтяг. Виготовляють – будівельні колони, фундаментні плити, литі малонавантажені деталі сільгоспмашин, верстатів, автомобілів, тракторів, арматура, станини потужних верстатів, поршні циліндрів, деталі, що працюють на знос в умовах високого тиску, компресорів, дизельних циліндрів,блоки двигунів, деталі металургійного обладнання.

Ковкий чавун

Ковкий чавун – це чавун з пластівцевою формою графітних включень. В порівнянні з пластинчатим графітом, пластівцевий графіт розташовується в металевій основі чавуну більш компактно, включення графіту не діють як гострі надрізи і тому такі включення в меншій мірі ослаблюють металеву основу.

Ковкий чавун отримують довготривалим нагрівом при високих температурах (відпал) виливок із білого чавуну. В результаті відпалу утворюється графіт пластівцевої форми. Металева основа ковкого чавуну: Ф, Ф+П, П. Найбільшою пластичністю характеризується феритний ковкий чавун, який широко використовується у машинобудуванні.

Хімічний склад білого чавуну, який відпалюють на ковкий чавун, вибирають в межах: 2,5…3,0% С, 0,7…1,5% Si, 0,3…1,0% Mn, ≤ 0,12% S, 0,18% P. Чавун має понижений вміст вуглецю і кремнію. Більш низький вміст вуглецю сприяє підвищенню пластичності, оскільки при цьому зменшується кількість графіту, який виділяється при відпалюванні, а понижена кількість кремнію запобігає виділенню пластинчатого графіту в структурі виливки при охолодженні.

Товщина стінки виливки не повинна перевищувати 40…50мм. При більших розмірах стінки в серцевині утворюється пластинчатий графіт, і чавун стає непридатним до відпалювання. Відпалювання проводиться у дві стадії. Перша стадія поводиться при 950…970°С – І-а стадія графітизації, після якої утворюється структура А+Г. в результаті розпаду цементиту дифузійним шляхом утворюється пластівцевий графіт (вуглець відпалювання).

Після цього виливки охолоджують до температур, які відповідають інтервалу евтектоїдного перетворення.

При охолодженні відбувається виділення із аустеніту вторинного цементиту, його розпад і як результат ріст графітних включень. При досягненні евтектоїдного інтервалу температур охолодження різко уповільнюють або дають додаткову витримку при температурі нижче цього інтервалу. В цей період протікає друга стадія графітизації: розпад аустеніту на Ф і Г або розпад цементиту, який входить в склад перліту з утворенням Ф і Г (в процесі витримки нижче евтектоїдної температури). Після закінчення другої стадії графітизації структура чавуну складається із фериту і пластівцевцевого графіту.

Для прискорення відпалювання застосовують різні заходи: чавун модифікують алюмінієм, підвищують температуру нагріву чавуну перед розливкою, перед відпалом проводять старіння – 300…400°С, підвищують температуру першої стадії графітизації (але не вище 1080°С), відпалювання проводять у захисній атмосфері. В такому випадку тривалість відпалювання складає 24…60 годин замість 70…80 годин.

Ковкий чавун маркують буквами «КЧ» і цифрами границі міцності і відносного видовження, КЧ 35-10.

Виливки із ковких чавунів застосовують для деталей, що працюють при ударних і вібраційних навантаженнях (картери, редуктори, фланці, муфелі, крюки, скоби).

Перлітні ковкі чавуни характеризуються високою міцністю, помірною пластичністю і хорошими антифрикційними властивостями. З них виготовляють вилки карданних валів, втулки, муфти, тормозні колодки, ланки і ролики цепів конвеєра та ін.

Ковкі чавуни застосовують в основному для виготовлення тонкостінних деталей на відміну від високоміцного.

Високоміцний чавун

У високоміцному чавуні графіт має кулясту форму. Кулястий графіт утворюється в литій структурі в процесі кристалізації. Кулястий графіт, який має мінімальну поверхню при даному об'ємі, значно менше послаблює металеву основу ніж пластичний графіт, і не являється активним концентратором напружень. Куляста форма графіту досягається модифікуванням. Модифікатори чавуну SiCa, FeSi, AlMg, але найчастіше використовують магній, який вводять перед розливанням чавуну, у кількості до 0,5%. Дія магнію пояснюється збільшенням поверхневого натягу графіту і утворенням мікробульбашок пари, в які дифундує вуглець.

Чавун з кулястим графітом має більш високі механічні властивості, які не поступають властивостям литої сталі. При цьому зберігаються гарні ливарні властивості та оброблюваність різанням, здатність гасити вібрації, чавун має високу зносостійкість.

Склад чавуну як правило: 2,7…3,7% C, 1,6…2,9% Si, 0,3…0,7% Mn, ≤0,1% S та P.

Маркується високоміцний чавун літерами «ВЧ» і цифрою, що характеризує границю міцності при випробовуванні на розтяг, ВЧ-45.

Високоміцні чавуни використовують для виливання деталей в автобудуванні, дизелебудуванні – колінчаті вали,кришки циліндрів, деталі прокатних станів, в ковальсько – пресовому обладнанні – шаботи, молоти, траверси, преси, корпуси насосів, вентилі – у хімічній та нафтовій промисловості.

Високоміцні чавуни піддають багатьом видам термічної та хіміко-термічної обробки, і зокрема ізотермічне гартування на бейніт забезпечує границю міцності на рівні 100 МПа.

Високоміцні чавуни поряд з кулястими можуть містити деяку кількість вермикулярного графіту. Графітні включення в ньому мають округлі краї і менше співвідношення довжини і товщини. Тому вермикулярний графіт представляє собою перехідну форму від пластинчатого до кулястого графіту і не є таким значним концентратором напружень, як пластинчатий.

Співвідношення кількості кулястого та вермикулярного графіту у чавуні при однаковій кількості кремнію і вуглецю залежить головним чином від обробки розплаву лігатурами, що містить магній і рідкоземельні метали. Чавун з вермикулярним графітом може містити не більше 40% кулястого графіту, його позначають «ЧВГ», за яким йде число, що вказує на значення границі міцності.

Марку чавуну з вермикулярним графітом можна змінити шляхом використання термічної обробки, змінюючи структуру металевої основи. При однаковій структурі металевої основи механічні властивості чавуну з вермикулярним графітом знаходяться між значеннями властивостей сірого чавуну з пластинчатим графітом і високоміцного чавуну з кулястим графітом. Чавуни марок «ЧВГ» міцніші, а при однаковій міцності більш пластичні, ніж чавуни марок СЧ. Вони перевищують чавуни марок ВЧ з оброблюваності різанням та здатності до демпфірування, і їх використовують на заміну марок СЧ для виливання деталей верстатів, ковальсько-пресового обладнання, корпусних деталей.

При певних умовах роботи застосовують чавуни зі спеціальними властивостями, які поділяють на антифрикційні, зносостійкі, жаростійкі та корозійностійкі.

Антифрикційні чавуни використовують для роботи у вузлах тертя з мастилом, підшипників ковзання, втулок,вкладишів. Для цього застосовують нелеговані або низьколеговані сірі чавуни з пластинчатим графітом АЧС-1… АЧС-6, високоміцні чавуни з кулястим графітом АЧВ-1, АЧВ-2, та ковкі чавуни АЧК-1, АЧК-2.

Включення графіту зменшують коефіцієнт тертя в парі зі сполученою сталевою деталлю. Додавання міді в чавуни поліпшує їх корозійні та антифрикційні властивості.

Більшість антифрикційних чавунів мають перлітну, або перліто-феритну основу, до того ж кількість в'язкого фериту не повинна перевищувати 30-50%, щоб запобігти налипанню матеріалу підшипника на шийку вала. Чавун АЧС-5 після гартування має 80% аустеніту і використовується для роботи в особливо навантажених вузлах тертя.

Підвищення зносостійкості, жаростійкості та корозійної стійкості чавунів досягають легуванням хромом, кремнієм, алюмінієм та іншими елементами. Маркуються чавуни буквою «Ч», за якою йдуть букви, що позначають легуючі елементи, а потім цифри, що відображають кількість цих елементів у відсотках. Буква «Ш» наприкінці означає наявність кулястого графіту. (ЧХ22, ЧХ22С, ЧС5Ш).

До найбільш зносостійких відносяться білі чавуни зі значною кількістю хрому ЧХ22, ЧХ33, в яких замість цементиту утворюються карбіди М₇С₃ з високою твердістю. Такі чавуни широко використовуються в гірничодобувній промисловості та металургії.

Жаростійкі чавуни легують хромом, кремнієм і алюмінієм, які утворюють оксидні плівки. Чавуни ЧХ32 використовують до температури 1150°С при виготовленні пічної арматури.

Кременистий чавун ЧС5Ш (силан) використовують до температури 800°С, а чавун з високою кількістю алюмінію ЧЮ22Ш (чугаль) до температури 1100°С при виготовленні топкової арматури котлів. Причому чигаль стійкий у середовищах, які містять сірчаний газ та пари води. Чавуни ЧХ22С, ЧС15 (феросилід) і ЧН15Д (нірезист) використовують для виготовлення деталей хімічної апаратури, що працюють у розчинах кислот, лугів і солей

Перлітне перетворення

Перлітне перетворення переохолодженого аустеніту носить кристалізаційний характер і розпочинається по дифузійному механізму. Це витікає з того, що аустеніт вуглецевої сталі практично однорідний по концентрації вуглецю, розпадається з утворенням фериту (майже чисте залізо) і цементиту, який містить 6,67%С, тобто складається із фаз, які мають різку різницю по концентрації вуглецю. Основною, в першу чергу виникаючою, фазою при цьому є цементит. Як правило його зародки утворюються на границях зерен аустеніту.

В результаті росту частинок цього карбіду аустеніт, що примикає до нього, збіднюється вуглецем, знижує свою стійкість і шляхом поліморфного α в γ перетворення переходить у ферит. Це перетворення, як і люба перебудова кристалічної гратки, проходить зсувним шляхом. При цьому кристалики фериту зароджуються на між фазних границях з цементитом, де цей процес полегшується.

Подальше зростання феритних пластинок призводить до збагачення аустеніту вуглецем, що затрудняє подальший розвиток α в γ перетворення. У збагаченому таким чином вуглецем аустеніті зароджуються нові і ростуть раніше утворені пластинки цементиту. В результаті утворення і росту частинок карбідів знову створюються умови для виникнення нових і росту уже утворених кристаликів фериту. В результаті відбувається колоніальний (сильний) ріст кристаликів фериту і цементиту, які утворюють перлітну колонію. Розмір перлітних колоній і перлітних субколоній тим менше, чим дрібніше зерно вихідного аустеніту і більша ступінь його переохолодження.

Продукти перлітного перетворення мають пластинчасту будову. Чим більше переохолодження, тим тонкішою буде утворена ферито – цементитна структура, тобто менша величина міжпластинчастої відстані, яка дорівнює усередненій сумі товщин двох пластинок фериту і цементиту. При переохолодженні аустеніту до температур 700-600⁰C утворюється Ф – Ц суміш з між пластинчастою відстанню 0,6 – 1,0 мкм, в інтервалі температур 650-600⁰C переохолоджений аустеніт розпадається на Ф –Ц суміш у якої між пластинчаста відстань дорівнює 0,25 – 0,3 мкм, а в разі переохолодження аустеніту до температур 600-550⁰C він розпадається на Ф –Ц суміш, у якої відстань дорівнює 0,1 – 0,15 мкм. Ферито – цементитні суміші, які утворилися в різних температурних інтервалах, і які мають різні розміри, називаються відповідно перліт, сорбіт і троостит. Поділ Ф – Ц суміші на П, С, Т є чисто умовний і між ними немає чіткої границі, вони мають пластинчасту будову, відрізняються ступенем дисперсності, а відповідно і мають різні твердості, тимчасовий опір, межу плинності і витривалості. Твердість у П - 180 -250 НВ, С – 250 – 350 НВ, у Т – 350 – 450 НВ.

Мартенситне перетворення

Мартенситне перетворення протікає тільки у тому випадку, якщо швидким охолодженням аустеніт переохолоджується до низьких температур (200⁰С і нижче), коли дифузія як вуглецю, так і заліза стає неможливою. При мартенситному перетворенні не проходить перерозподіл компонентів між аустенітом і мартенситом, тому його можна розглядати, як фазові перетворення в однокомпонентній системі. Для початку мартенситного перетворення необхідно велике переохолодження аустеніту (т. Мn) при якому значення різниці об’ємної вільної енергії аустеніту і мартенситу буде більшим приросту поверхневої та пружної енергії (∆ F_об > ∆ F_пов +∆ F_пр ). Таким чином, мартенситне перетворення носить бездифузійний характер, воно проходить шляхом зсуву і не супроводжується зміною складу твердого розчину.

Мартенситне перетворення не можна подавити швидким охолодженням, як це може бути при дифузійних перетвореннях. При переохолодженні до температури, що відповідає точці початку (т. Мn ~ 200⁰С) мартенситного перетворення аустеніт починає перетворюватись у мартенсит. Щоб мартенситне перетворення розвивалось, необхідно безперервно охолоджувати сталь нижче температури Мn. Якщо охолодження припинити, то мартенситне перетворення також зупиниться. Ця особливість мартенситного перетворення різко відрізняє його від дифузійного перлітного перетворення, яке повністю протікає в ізотермічних умовах при температурі нижче точки А₁. Залежність кількості мартенситу, що утворився, від температури, до якої охолоджений зразок, описується мартенситною кривою. Чим нижча температура, тим більше утворюється мартенситу. Кількість мартенситу при цьому зростає у результаті утворення все нових і нових кристалів, а не внаслідок росту кристалів, які утворились і які мають когерентну межу. При досягненні для кожної сталі температури, перетворення аустеніту в мартенсит припиняється. Цю температуру закінчення мартенситного перетворення називають температурою мартенситного перетворення. Положення точок Мn і Мк не залежить від швидкості охолодження і обумовлено хімічним складом аустеніту. Чим більше в аустеніті вуглецю, тим нижчі температури Мn і Мк. Всі легуючі елементи, які розчиняються в аустеніті, за виключенням Со і Al, знижують точки Мn і Мк.

Нова фаза, яка утворилася при мартенситному перетворенні називається мартенситом і представляє собою пересичений твердий розчин вуглецю в α – залізі. Якщо в рівноважному стані розчинність вуглецю в α – залізі при кімнатній температурі не перевищує 0,006%С, то його вміст у мартенситі може бути таким, як і у вихідному аустеніті.

Атоми вуглецю займають октаедричні пори вздовж осі (0001) в гратці α – заліза (мартенситу) і значно її спотворюють. Мартенсит має тетрагональну гратку, в якій один період „ с “ більший за інший - „ а“. При збільшенні вмісту вуглецю висота тетрогональної призми зростає „ с “, а розмір її основи зменшується. Відповідно, чим більше в мартенситі вуглецю, тим більше відношення с/a, тобто більша тетрогональність гратки. Відношення с/a = 1+0,046С, де С – концентрація вуглецю в аустеніті, % за масою.

Є різні види мартенситу за механізмом утворення:

- мартенсит напруження

- мартенсит деформації

- мартенсит охолодження.

Кристали мартенситу в залежності від складу сталі, а відповідно і від температури свого утворення можуть мати різну морфологію і субструктуру. Розділяють два типи мартенситу:

- пластинчастий

- рейковий

Пластинчастий мартенсит утворюється у високовуглецевих сталях, що характеризується низькою температурою мартенситної точки. У цьому випадку кристали мартенситу складаються в своїй середній частині з великої кількості мікродвійників, що утворюють зону підвищеного травлення, яка називається мідрібом.

Коли кристали пластинчастого мартенситу розташовуються в площині шліфа, вони мають вигляд голок.

У конструкційних вуглецевих і легованих сталях більша частина кристалів мартенситу має форму таких рейок (рейковий мартенсит) витягнутих в одному напрямку. Рейки часто утворюють пакет. Такий високотемпературний мартенсит називають масивним на відміну від голчастого.

Розміри кристалів мартенситу визначаються величиною вихідного зерна аустеніту. Вони є тим більші, чим більше зерно аустеніту. Перша пластина мартенситу має довжину, що відповідає поперечному розміру зерна аустеніту, кристали, що утворюються при більш низьких температурах, обмежені у своєму розвитку, і мають менші розміри.

У загартованих сталях, що мають точку Мk нижче 20⁰С, і зокрема у вуглецевих сталях, що містять більше 0,4 – 0,5% С, є присутній аустеніт, який називають залишковим – А _зал. Його кількість зростає із зниженням Мn та Mk, тобто із ростом вмісту вуглецю і легуючих елементів у аустеніті. Сталь з 0,6 – 1,0% С має до 10% А _зал , а 1,3 – 1,5% - 30 – 50 А _зал.

Твердість мартенситу залежить від вмісту вуглецю, для сталі з 0,6 – 0,7%С твердість складає 65HRC.

Розпад мартенситу

Розпад мартенситу (перше перетворення при відпуску). На першій стадії перетворення (при температурі порядку 100-150 °С) із кристалів мартенситу виділюється - карбід. Концентрація вуглецю на цих ділянках мартенситу різко зменшується, тоді як більш віддалені ділянки зберігають вихідну концентрацію вуглецю, отриману після гартування. Таким чином, після нагрівання до низьких температур у сталі поряд із частками карбідів, що утворилися, одночасно присутні два - твердих розчини (мартенситу) з більш високою (вихідною) і низькою концентрацією вуглецю. Даний тип розпаду мартенситу називають двофазним.

Коагуляція карбідів

Коагуляція карбідів (четверте перетворення при відпуску). (500-680 С). Підвищення температури відпуску вище 400-500 С у вуглецевих та багатьох низько- і середньо легованих сталях не викликає змін фазового складу. Однак, з підвищенням температури змінюється мікроструктура; відбувається коагуляція та сфероїдизація карбідів і змінюється субструктура - фази.

Коагуляція карбідів при відпуску відбувається в результаті розчинення більш менших і росту більш великих часток цементиту при одночасному збідненні вуглецем - твердого розчину. Структуру сталі після високого відпуску називається сорбітом відпуску.

Часточки карбідів в структурі троститу або сорбіту відпуску відрізняються від троститу та сорбіту, які отримали в результаті розпаду переохолодженого аустеніту, мають зернисту, а не пластинчату будову. Утворення зернистих структур покращує багато властивостей, особливо пластичність і в язкість, а головне опір руйнуванню. При однаковій твердості та тимчасовому опорі сталь із зернистою структурою має більш високі значення границі текучості, відносного звуження та ударної в язкості.

В результаті коагуляції розмір часток карбідів стає 1 мкм, тоді як після відпуску при 400-450 С (тростит відпуску) їх розмір 0,3 мкм. При температурах, близьких до точки А , утворюється більш груба ферито - карбідна структура (діаметр карбідних часток 3мкм), називається зернистим перлітом. При цих температурах відбувається рекристалізація фериту та зникає його субструктура.

Легуючі елементи Сг, Mo, W, V уповільнюють процес коагуляції. Тому після відпуску при однаковій температурі сталь, легована цими елементами, зберігає більш високу дисперсність карбідних часток і відповідно більшу міцність. При вказаних високих температурах стає можливим і дифузія легуючих елементів, яка призводить до їх перерозподілу між феритом і цементитом. Карбідоутворюючі елементи (Сг, Mo, W, V) дифундують із фериту в цементит, не карбідоутворюючі (Ni, Co, Si) – із цементиту в ферит. Збагачення цементиту легуючими елементами до границі насичення призводить до його перетворення в спеціальний карбід (М С , М С , М С або МС), який утворюється в тих самих місцях, де раніше були частки цементиту(перетворення «на місці»). Однак можливе і пряме виділення часток спеціальних карбідів, які визивають ефект дисперсійного твердіння.

Відпал І роду

Відпал І роду – нагрів сталі до певної температури, витримки з наступним,як правило повільним охолодженням, в результаті якого фазові перетворення якщо і проходять, то не викликають суттєвого впливу на кінцевий структурний стан. Цей відпал застосовується для усунення хімічної неоднорідності, що виникає при кристалізації металу, зміни в структурі після пластичної деформації та зняття залишкових напружень (напружень обробки).

Гомогенізуючий (дифузійний відпал). Цей відпал застосовують для усунення дендритної ліквації у зливках легованої сталі, оскільки ліквація знижує пластичність та в'язкість. Цей відпал підвищує однорідність структури і кольорових сплавів. Для усунення внутрішньо-кристалітної ліквації та розчинення незрівноваженої надлишкової карбідної фази евтектичного походження леговані сталі нагрівають до температур 1050…1250°С, витримують 10…15 год. і повільно охолоджують. Висока температура нагріву забезпечує проходження дифузійних процесів, які необхідні для вирівнювання хімічного складу. Для зменшення окалиноутворення використовують швидкісний нагрів,а час витримки залежить від ваги садки. Повільне охолодження забезпечує отримання однорідної структури із великим (крупним) зерном, яке подрібнюють під час наступної деформації чи термічної обробки. Загальна тривалість відпалу (нагрів, витримка, охолодження) в залежності від маси металу дорівнює 50…100 годин.

Рекристалізаційний відпал. Цей процес представляє собою нагрів холоднодеформованої сталі вище температури рекристалізації, витримки при цій температурі з наступним повільним охолодженням. Цю термічну обробку використовують як попередню операцію перед холодною обробкою тиском (для надання матеріалу найбільшої пластичності),як проміжний процес між операціями холодного деформування (для зняття наклепу), та як кінцеву термічну обробку для отримання певного розміру зерна (для надання напівфабрикатам чи виробам необхідних властивостей). Низьковуглецеві сталі з 0,02…0,2 % С нагрівають при відпалі до температур 680…700°С і витримують протягом 3…6год. Рекристалізаційний відпал прокату проводять при температурі 680…740°С протягом 0,5…1,5 год. При відпалі, окрім рекристалізації фериту, може проходити коагуляція і сфероїдизація цементиту, що підвищує пластичність сталі і полегшує обробку тиском.

Відпал для зняття з

12345678910Следующая ⇒

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

---

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: