Характеристика вагонов 81-717(714) 41 страница

Температура плавления железа равна 1539 + 5 °С. Железо об­разует две кристаллические модификации: а-железо и v-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая — кубическую гранецентрированную. сс-Железо термодина­мически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912 °С и от 1394 °С до температуры плавления. Между 912 и 1394 °С устой­чиво v-Железо, Температурные интервалы устойчивости а- и у-же-

леза обусловлены характером изменения энергии Гиббса обеих
модификаций при изменении температуры (см. рис. 166). При тем-
пературах ниже 912 и выше 1394 °С энергия Гиббса а-железа
меньше энергии Гиббса -у-железа, а в интервале 912—1394 °С—■
больше. I

Температуры фазовых превращений железа хорошо видны на кривой охлаждения в виде остановок — горизонтальных площадок (см. рис. 167). Как видно, кроме площадок, отвечающих перечисленным точкам, на кривой охлаж­дения имеется еще одна остановка — при 768 "С. Эта температура связана не с перестройкой решетки, а с изменением магнитных свойств а-железа. При температурах выше 768 °С железо немагнитно, а ниже 768 °С — маг­нитно. Немагнитное а-железо иногда называют р-железом, а модификацию а-железа, устойчивую при температурах от 1392 °С до плавления, — 6-железом*

Железо — серебристый пластичный металл. Оно хорошо под­дается ковке, прокатке и другим видам механической обработки. Механические свойства железа сильно зависят от его чистоты—< от содержания в нем даже весьма малых количеств других эле­ментов.

Твердое железо обладает способностью растворять в себе мно-. гие элементы. В частности, растворяется в железе и углерод. Его растворимость сильно зависит от кристаллической модификации железа и от температуры. В а-железе углерод растворяется очень незначительно, в у-железе — гораздо лучше. Раствор в у-железе термодинамически устойчив в более широком интервале темпера­тур, чем чистое у-железо. Твердый раствор углерода в а-железе называется ферритом, твердый раствор углерода в у"^железе —' аустенитом.

Содержанию в железе 6,67 % (масс.) углерода отвечает химиче­ское соединение — карбид железа, или цементит, Fe$C Это веще*

ство имеет сложную кристаллическую структуру и характеризуется высокой твердостью (близка к твердости алмаза) и хрупкостью. При температуре около 1600°С цементит плавится[16].

Механические свойства феррита и аустенита зависят от содер­жания в них углерода. Однако при всех концентрациях углерода феррит и аустенит менее тверды и более пластичны, чем цементит.

Диаграмма состояния системы железо — углерод, дающая представление о строении железоуглеродиых сплавов, имеет очень большое значение. С ее помощью можно объяснить зависимость свойств сталей и чугунов от содержания в них углерода и от тер­мической обработки. Она служит основой при выборе железоугле­родиых сплавов, обладающих теми или иными заданными свой­ствами. На рис. 168 приведена часть диаграммы состояния системы Fe—С, отвечающая содержанию углерода от 0 до 6,67 %, или, что то же самое, от чистого железа до карбида Fe₃C. Это самая важная часть диаграммы, поскольку практическое применение имеют сплавы железа, содержащие не более 5 °/о углерода.

Диаграмма состояния системы Fe—С сложнее, чем рассмотрен­ные в главе XVI основные типы диаграмм состояния металлических систем. Однако все ее точки, кривые и области подобны тем, кото­рые были описаны в § 195. Особенности ее обусловлены уже упо­мянутыми обстоятельствами: существованием двух модификаций кристаллического железа, способностью обеих этих модификаций

238. Диагралша состояния системы железо — углерод

образовывать твердые растворы с углеродом, способностью железа вступать в химическое соединение с углеродом, образуя цементит.

Левая ось диаграммы соответствует чистому железу, правая — карбиду FesC (цементиту). Точки А и D показывают температуру плавления железа и карбида, точки G и N — температуры превра­щений ос- и у-железа друг в друга.

Линия ABCD — это кривая температур начала кристаллизации жидких сплавов, линия AHJECF — кривая температур начала плавления твердых сплавов. Все линии, лежащие ниже последней кривой, отвечают равновесиям между твердыми фазами.

Область, лежащая выше линии ABCD, отвечает жидкому спла­ву. Области, примыкающие к левой вертикали, соответствуют твердым растворам углерода в железе: линия AHN ограничивает область твердого раствора углерода в сс-железе при высоких тем­пературах (область высокотемпературного феррита), линия NJESG ограничивает область твердого раствора углерода в у-железе (об­ласть аустенита), линия GPQ — область твердого раствора угле­рода в ос-железе при низких температурах (область низкотемпера­турного феррита). Перечисленным областям соответствуют гомо­генные системы: структура как расплава, так и твердых растворов однородна в каждой из этих фаз.

Остальным областям диаграммы отвечают гетерогенные систе­мы— смеси кристаллов двух фаз или кристаллов и расплава.

Рассмотрим важнейшие превращения, происходящие при мед­ленном охлаждении расплавов различных концентраций. Это по­может нам разобраться в том, какие сплавы соответствуют обла­стям гетерогенности диаграммы.

Пусть мы имеем расплав, содержащий 0,8 % углерода. Его кри­сталлизация начнется в точке 1 (рис. 169). При охлаждении рас­плава до температуры, отвечающей этой точке, будут выпадать кристаллы аустенита; их состав отвечает точке 2. Расплав при этом обогащается углеродом, и его состав изменяется по линии ВС. Состав кристаллов в процессе кристаллизации изменяется по кривой ]Е. Когда состав кристаллов достигнет точки 3, кристалли­зация закончится. Как всегда при образовании твердого раствора, одновременно идет процесс диффузии в твердой фазе, в результата чего при медленном охлаждении состав всех кристаллов полу­чается одинаковым.

Далее, образовавшийся аустенит охлаждается без превращении до точки S (рис. 168). Эта точка (температура 727 °С) показывав-; минимальную температуру устойчивого существования аустенита. При 272°С происходит его эвтектоидный распад[17]. Образующийся эвтектоид состоит из чередующихся мелких пластинок феррита и

цементита. На изломе он при рассматривании под микроскопом напоминает перламутр. Поэтому эта структура—■ эвтектондная смесь феррита и цементита — получила название перлит.

Если исходный расплав содержит не 0,8 % углерода, а несколь­ко меньше, например 0,7 %, то образующийся при кристаллизации аустенит начнет распадаться не при 727 °С, а при более высокой температуре (точка 1 на рис. 170). Превращение начнется с выде­ления кристаллов феррита (точка 2 на рис. 170), содержание угле­рода в котором очень мало. Вследствие этого остающийся аустенит обогащается углеродом и при дальнейшем охлаждении его состав изменяется по кривой GS. По достижении точки S начинается эв-тектоидное превращение при постоянной температуре, по оконча­нии которого сталь будет состоять из феррита и перлита. Из сказанного вытекает, что области 3 на диаграмме (см. рис. 168) соответствует смесь жидкого сплава с кристаллами аустенита, об­ласти 5 — смесь кристаллов феррита и аустенита и области 10— смесь перлита с кристаллами феррита.

Если исходный расплав содержит более 0,8 °/о углерода (но ме­нее чем 2,14%), например 1,5%, то распад аустенита начнется с выделения цементита (точка 3 на рис. 170). Вследствие выделе­ния РезС — фазы, богатой углеродом — остающийся аустенит обо­гащается железом, так что при дальнейшем охлаждении его состав изменяется по кривой ES. В точке S начинается выделение пер­лита. В итоге получается сталь со структурой, состоящей из це­ментита и перлита. Таким образом, области 6 на диаграмма (рис. 168) отвечает смесь кристаллов цементита и аустенита, а области 11— смесь перлита с кристаллами цементита.

Обратимся теперь к сплавам, содержащим более 2,14 % углеро­да. Первичная кристаллизация в этом случае заканчивается эвтек­тическим превращением при 1147°С, когда из расплава, содержа­щего 4,3% углерода (точка С на рис. 168), выделяется эвтектиче­ский сплав аустенита и цементита. Если при этом исходить из распла­ва эвтектического состава (4,3 % С), то кристаллизация начнется и закончится при одной и той же тем­пературе 1147°С.

В случае сплавов, содержащих меньше 4,3 % углерода (но больше 2,14 %), образованию эвтектики будет предшествовать вы­деление аустеиита. При содержании углерода выше 4,3 % кристал­лизация начнется с выделения цементита, но по достижении точки С на диаграмме также будет наблюдаться образование эв­тектики. Таким образом, в результате кристаллизации жидких сплавов, содержащих более 2,14 % углерода, первоначально по­лучается структура, состоящая либо только из эвтектики, либо из эвтектики с кристаллами аустенита или цементита.

В то же время, как мы видели раньше, при кристаллизации жидких сплавов, содержащих меньше 2,14 % углерода, первона­чально получается аустенит. Это различие в структуре при высо­ких температурах создает различие в технологических и механиче­ских свойствах сплавов. Эвтектика делает сплавы нековкими, но ее низкая температура плавления облегчает применение высоко­углеродистых сплавов как литейных материалов. Железоуглерод-ные сплавы, содержащие меньше 2,14 % углерода, называются сталями, а содержащие больше 2,14% углерода — чугунами.

Эта граница (2,14 % углерода) относится к железоуглеродным сплавам, не содержащим других элементов. В присутствии третье­го элемента вид диаграммы состояния изменяется, в частности границы устойчивости аустенита в некоторых случаях смещаются в сторону низких температур.

Закончим рассмотрение превращений, совершающихся в чугу-нах, при их охлаждении ниже 1147°С. При этой температуре рас­творимость углерода в у-железе максимальна. Поэтому к моменту окончания первичной кристаллизации содержащейся в чугуне аустенит наиболее богат углеродом (2,14 %). При охлаждении ниже этой температуры растворимость углерода в аустените падает (кривая ES на рис. 168) и углерод выделяется из него, превра­щаясь обычно в цементит. По достижении температуры 727 °С весь остающийся аустенит, в том числе входящий в состав эвтектики, превращается в перлит. Из сказанного следует, что области 7 от­вечает смесь эвтектики с кристаллами аустенита и цементита, об­разовавшегося при распаде аустенита, области 8^- смесь эвтек­тики с кристаллами цементита. Поскольку при температурах ниже 727 °С аустенит эвтектики превращается в перлит, то областям 12 и 13, подобно области //, отвечает смесь перлита и цементита. Однако сплавы, принадлежащие к той и другой области, несколько различаются по структуре. Это различие обусловлено тем, что це­ментит сплавов области 13 образуется при первичной кристаллиза­ции, в области 12 — при распаде аустенита. Таким образом, при температурах ниже 727°С чугун состоит из цементита и перлита. Как мы увидим ниже (см. § 241), в некоторых случаях чугун мо­жет иметь и другую структуру.

Рассматривая превращения, происходящие при охлаждении расплавов различного состава, мы смогли выяснить, какие сплавы соответствуют различным областям диаграммы. Но мы рассмотре­ли не все области диаграммы. Пользуясь тем же методом, не­трудно показать, какие сплавы отвечают остальным ее областям: области 1 соответствует смесь жидкого расплава п кристаллов вы­сокотемпературного феррита, области 2— смесь кристаллов высо­котемпературного феррита и аустенита, области 4 — смесь жидкого сплава и кристаллов цементита, области 9 — смесь кристаллов феррита и цементита.

239. Производство чугуна и стали. Железо имело промышленное приме­нение уже до нашей эры. В древние времена его получали в размягченном пластичном состоянии в горнах, используя в качестве топлиза древесный уголь. Шлак отделяли, выдавливая его из губчатого железа ударами молота.

По мере развития техники производства железа постепенно повышалась температура, при которой велся процесс. Металл и шлак стали плавиться; стало возможным разделять их гораздо полнее. Но одновременно в металле повышалось содержанке углерода и других примесей, — металл становился хрупким и нековким. Так получился чугун.

Позднее научились перерабатывать чугун; зародился двухступенчатый способ производства железа из руды. В принципе он сохраняется до настоя­щего времени: современная схема получения стали состоит из доменного про­цесса, в ходе которого из руды получается чугун, и сталеплавильного пере­дела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и других примесей.

Современный высокий уровень металлургического производства основан на теоретических исследованиях и открытиях, сделанных в различных стра­нах, и на богатом практическом опыте. Немалая роль в этом прогрессе при­надлежит русским и советским ученым. Так, основоположником теории про­изводства литой стали был П. П. Аносов. Академики А. А. Банков, М. А. Пав­лов, И. П. Бардин — авторы важнейших теоретических трудов по доменному и сталеплавильному производству.

В последние годы в нашей стране разработаны и внедрены новые техно­логические процессы выплавки чугуна и стали. Советские металлурги первыми широко применили природный газ для доменной плавки. У нас раньше, чем в США, были введены в строй современные доменные печи объемом 1300 м³, а сейчас действуют печи объемом 5000 м³.

За короткий исторический промежуток времени СССР вышел иа второе место в мире по выпуску черных металлов.

Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей и достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м.

Разрез доменной печи схематически изображен на рис. 171. Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается на­верху отверстием — колошником, которое закрывается подвижной воронкой'—колошниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть — горном. Через специаль­ные отверстия в горне (фурмы) в печь вдувается горячий воздух или кислород.

Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат — это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом (см. ниже). Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода. Последний

поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя С0₂, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои накаленного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть руды, переходя снова в С0₂.

Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразить суммарным уравнением:

Fe₂0₃ + ЗСО = 2Fe + ЗС0₂

Отдельные стадии процесса показаны в виде уравнений реакций на рис. 172.

Пустую породу в руде образует главным образом диоксид крем­ния Si0₂. Это — тугоплавкое вещество. Для превращения туго­плавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добав-ляетя флюс. Обычно в качестве флюса используют СаСОз. При взаимодействии его с Si0₂ образуется CaSi0₃, легко отделяющийся в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твердом состоя­нии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи — рас­пар — и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки соби-. раются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления.

Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отвер­стия, забитые в остальное время глиной.

Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25 % СО. Их сжигают в особых аппаратах — кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха.

Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю пло­щадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не требует капитального ремонта.

Процесс выплавки чугуна может быть ускорен путем примене­ния в доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, благодаря чему отпадает необходимость в сложных и громоздких кауперах и весь металлургический процесс значительно упрощается. Вместе с тем резко повышается произво­дительность печи и уменьшается расход топлива. Доменная печь, работающая на кислородном дутье, дает в 1,5 раза больше метал­ла, а кокса требует на ^lU меньше, чем при воздушном дутье.

Современная доменная печь — мощный и высокопроизводитель­ный агрегат. В нем перерабатываются огромные количества мате­риалов. В печи объемом 2000.м³ расходуется около 7000 т агло­мерата и 2000 т кокса в сутки. При этом получается 4000 т чугуна. Иначе говоря, в большой доменной печи ежеминутно выплавляется около 2,5 т чугуна.

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь. Они основаны на окислении содержащегося в чугуне углерода и примесей и отделении образующихся оксидов в газовую фазу или в шлак. В СССР основная масса чугуна перерабатывается в сталь мартеновским способом.

Мартеновский процесс, разработанный французским инженером П. Мартеном, ведут в пламенной отражательной печи. В нее загружают чу­гун, а также стальной лом, требующий переплавки, и некоторое количество руды. В печь вводятся предварительно нагретые воздух и топливо (в виде газа или распыленной жидкости). При сгорании топлива образуется факел с температурой 1800—1900 °С. Металл и руда плавятся, и в расплав вводят добавки, необходимые для получения стали заданного состава. Выгорание примесей происходит главным образом за счет кислорода воздуха.

Небольшое количество стали выплавляют в конверторах. Сущность кон­верторного или, по фамилии изобретателя, бессемеровского ме­тода состоит в продувании струи воздуха через расплавленный чугун. При этом углерод и примеси сгорают и удаляются в виде газов или переходят в шлак. Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы, поворачи­вающийся на горизонтальной оси. Заливка чугуна и выливание готовой стали производятся в горизонтальном положении конвертора, а продувка воздухом —• В вертикальном.

Конверторный метод имеет ряд недостатков по сравнению с мартенов­ским. Качество бессемеровской стали ниже, чем мартеновской. Это объясня-

ется тем, что в ходе дутья в металле растворяется заметное количество азота, что обусловливает склонность бессемеровской стали к старению — утрате с течением времени пластичности и возрастанию хрупкости. Бессемеровская сталь значительно лучшего качества получается при использовании кислород­ного дутья.

Наиболее совершенный промышленный способ получения ста­ли— плавка в электрических печах. Этим способом вы­плавляют в настоящее время большинство сортов специальных сталей. В электрической печи легко обеспечивается быстрый подъем н точное регулирование температуры; в ней можно созда­вать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосфе­ру. Это позволяет получать сталь с наименьшим количеством вред­ных примесей; в то же время заданный состав стали обеспечи­вается с высокой точностью.

При всех процессах выплавки жидкая сталь содержит неболь­шое количество растворенного кислорода (до 0,1 %). При кристал­лизации стали кислород взаимодействует с растворенным углеро­дом, образуя оксид углерода (II). Этот газ (а также некоторые другие растворенные в жидкой стали газы), выделяется из стали в виде пузырей. Кроме того, по границам зерен стали выделяются оксиды железа и металлов примесей. Все это приводит к ухудше­нию механических свойств стали.

Поэтому процесс выплавки стали обычно заканчивается ее рас­кислением— уменьшением количества растворенного в жидкой стали кислорода. Существуют различные способы раскисления стали. Чаще всего применяется добавка к стали небольших коли­честв элементов, активно соединяющихся с кислородом. Обычно в качестве раскислителей применяют марганец, кремний, алюминий, титан. Образующиеся оксиды этих элементов переходят в шлак.

Хорошо раскисленная сталь застывает спокойно — без газовы­деления — и называется спокойной. При застывании нераскислен» ной или неполностью раскисленной стали из нее выделяются газы, и металл как бы кипит; такая сталь называется кипящей. Спокой­ная сталь лучше кипящей. Однако кипящие стали дешевле и так­же находят применение.

Выплавленную сталь выпускают в разливочный ковш и разли­вают в металлические формы — изложницы — или направляют на непрерывную разливку. После затвердевания сталь получается в виде слитков.

При кристаллизации сталь уменьшается в объеме. Поэтому в верхней ча­сти слитка, затвердевающей в последнюю очередь, образуется пустота, назы­ваемая усадочной раковиной. Область слитка, расположенная ниже усадочной раковины, обладает рыхлой структурой. В слитках кипящей стали усадочная раковина ие образуется, но зато они пронизаны большим количеством пузы­рей. Слиткам присущи и другие дефекты, в частности неоднородность хими­ческого состава. Она обусловлена тем, что кристаллы, образующиеся в пер­вую очередь, содержат минимальное количество примесей, а последние порции кристаллизующейся стали максимально обогащены ими; диффузия же атомов примесей, которая могла бы выравиять их концентрации, происходить не успйч вает, потому что слиток охлаждается быстро.

Для устранения дефектов слитков большая часть всей выплавляемой стали (около 90 %) обрабатывается давлением. При этом структура стали делается значительно более однородной, в результате чего ее механические свойства улучшаются.

Процессы обработки давлением разнообразны. К ним принадлежат про­катка, волочение, прессование и другие. Важнейший вид обработки давлением это прокатка. Слитки, поступающие в прокатный цех металлургического за­вода, нагреваются до 1000—1300 °С. При этом сталь переходит в состояние аустенита и ее пластичность сильно возрастает. Нагретые слитки поступают иа прокатный стан. Он представляет собой комплекс машин, главное назначение которых состоит в деформации металла с помощью вращающихся валков. Захватываемый валками слиток подвергается обжатию. При этом толщина заготовки уменьшается, а длина увеличивается; операция повторяется много­кратно. Различные прокатные станы дают возможность получать разнообраз­ную продукцию: листы, трубы, рельсы, балки, изделия более сложной формы, например железнодорожные колеса. Часть стали прокатывается не до полу­чения готовой продукции, а лишь до полупродукта (листы, прутки н др.). Такой полупродукт в дальнейшем проходит обработку другими методами. Горячекатанная сталь — наиболее употребительный материал для производ­ства машии, станков, строительных металлоконструкций, предметов широкого потребления.

240. Термическая обработка стали. Термической (теплоаой) обработкой стали называется изменение ее структуры, а следовательно, и свойств, дости­гаемое нагреванием до определенной температуры, выдерживанием при этой температуре и охлаждением с заданной скоростью. Термическая обработка стали — важнейшая операция в технологии стали; она может очень сильно из­менить свойства стали. Ей подвергают как готовые изделия, главным образом инструменты и детали машин, так и полуфабрикаты, например, отливки, прокат.

Применяются различные виды термической обработки, придающие стали различные свойства. Важнейшими являются закалка и отпуск.

Закалка осуществляется нагреванием стали до температуры, несколько превышающей температуру превращения перлита в аустенит, выдержкой при этой же температуре и быстрым охлаждением. Закалка придает стали твер­дость, прочность, но в то же время делает ее хрупкой. Поэтому закаленную сталь обычно подвергают еще одной операции — отпуску. Он состоит в на­гревании стали до температуры, при которой еще не достигается превращение в аустенит, выдержке при этой температуре и сравнительно медленном охлаж­дении. Отпуск — конечная операция термической обработки. В результате за­калки и отпуска, проводимых по заданному режиму, сталь получает требуемые механические свойства.

Что представляют собой те процессы, которые протекают в стали при за­калке и отпуске? Для ответа на этот вопрос вспомним диаграмму состояния системы Fe —С. На рис. 173 приведена часть этой диаграммы, отвечающая содержанию углерода до 2,14% и температуре до 1147^СС. При нагревании стали эвтектоидного состава (0,8 % углерода) перлит при 727 °С превращается в аустенит. При нагревании стали, содержащей меньшие количества углерода, например 0,4% (структура такой стали состоит из перлита п феррита), при 727°С перлит превращается в аустенит с 0,8% углерода (точка 1 на рис. 173), а при дальнейшем нагревании феррит постепенно растворяется в аустепите; содержание углерода в аустепите при этом уменьшается в соответствии с ли­нией SG. По достижении точки 2 феррит исчезает, а концентрация углерода в аустеиите становится равной его общему содержанию в стали.

Аналогично протекают превращения в случае стали, содержащей большие количества углерода, например, 1,4%. Такая сталь состоит из перлита и це­ментита. При 727 "С перлит превращается в аустенит, содержащий 0,8 % угле­рода (точка 3), а при дальнейшем нагревании цементит растворяется в аусте-ните. По достижении точки 4 цементит исчезает, а содержание углерода в аустените становится равным 1,4 %.

1100-1000-

			А1147
	А		/1
а		/1	I
"42		ж 1 Л'	\^727,
i\<	Г		)
i i	I I I		I

Рис. 173. Часть диаграммы состояния системы железо — углерод.

А — аустенит; Ф — феррит; Ц — цементит; П — перлит.

g |5 900-\ 800-

I

700-

600-

Таким образом, первый этап закалки — нагревание сопровождается переходом ста­ли в состояние аустенита. Диффузия ато­мов даже при высоких температурах происходит в твердом теле далеко не мгно­венно. Для полноты превращения сталь выдерживают некоторое время при темпе­ратуре, немного превышающей соответ­ствующую точку иа линии GS или SE.

О Ofi 0,8 1,2 1,6 2,0 С, % (масс.)

Процессы, протекающие при медлен­ном охлаждении аустенита, обратны толь­ко что рассмотренным. Но при быстром его охлаждении эти процессы, связанные с диффузией атомов углерода и железа, не успевают происходить. В результате сталь оказывается в неравновесном состоянии.

При охлаждении аустенит делается термодинамически неустойчивой фазой; при температурах ниже 727 °С термодинамически устойчив перлит или перлит с избытком феррита или цементита. Чем больше переохлаждение, тем больше разность энергий Гиббса аустенита и перлита, стимулирующая превращение. Но, в то же время, чем больше переохлаждение (т. е. чем ниже температура), тем медленнее протекает диффузия атомов. В результате одновременного дей­ствия этих противоположных тенденций скорость превращения аустенита в перлит оказывается максимальной при небольших переохлаждениях, т. е. при медленном понижении температуры. При больших же переохлаждениях, при быстром снижении температуры скорость диффузионных процессов при­ближается к нулю и превращение становится невозможным. Однако кристал­лическая решетка железа перестраивается при любой скорости охлаждения, так что в результате понижения температуры у-железо превращается в а-же-лезо. Таким образом, в основе закалки стали лежит превращение аустенита в пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе. Эта фаза носит на­звание мартенсита; будучи термодинамически неустойчивой, она не находит отражения на диаграмме состояния.

Если в равновесном состоянии растворимость углерода в а-железе при 20 °С не превышает 0,0025 %, то в мартенсите его содержится столько же, сколько в исходном аустените. Мартенситное превращение не сопровождается диффузионным перераспределением углерода, т. е. перемещение атомов угле­рода и железа не превышают в ходе этого превращения межатомных расстоя­ний. Происходит лишь перестройка кубической гранецентрированной решетки у-железа в кубическую объемноцентрированную (а-железо). Однако сохране­ние в повой решетке атомов углерода приводит к ее искажению, а точнее говоря, к превращению в тетрагональную с отношением осей, незначительно отличающимся от единицы. При содержании углерода в стали выше 0,5 % часть аустенита не испытывает превращения и сохраняется в закаленной стали.

Мартенсит обладает высокой твердостью, возрастающей с увеличением содержания углерода. Его твердость обусловлена очень тонкой неоднород­ностью строения, препятствующей передвижению дислокаций. Но в то же время, в связи с большими внутренними напряжениями, возникающими при его образовании, мартенсит хрупок. Поэтому закаленная сталь тверда, но хрупка.

Дата добавления: 2014-11-16