Материаловедение Конспект лекций. Конспект лекций для студентов 2 курса бакалавриата направления 221700 Стандартизация и метрология

• Название: Конспект лекций для студентов 2 курса бакалавриата направления 221700 Стандартизация и метрология
• Дата: 19.10.2022
• Размер: 1.64 Mb.
• Имя файла: Материаловедение Конспект лекций.pdf
• Тип: Конспект лекций; #741457
• страница: 2 из 6

ТЕМА 2.
ПОНЯТИЕ О ДИАГРАММАХ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ.
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
Диаграмма состояния представляет собой графическое изобра- жение состояния сплава в зависимости от состава, его температуры, давления.Диаграмму состояния показывают устойчивые, равновес- ные состояния сплава, обладающие при данных условиях минималь- ной свободной энергией. Поэтому диаграмму иногда называют диа- граммой фазового равновесия.
Лекция 4. Диаграмма состояния
Структуру сплавов различного химического состава можно ус- тановить путём анализа соответствующих диаграмм фазового равно- весия или диаграмм состояния.
Под состоянием понимают наличие тех или иных фаз в сплаве данного химического состава при данной температуре. То есть диа- граммы состояния строятся в координатах «температура – химиче- ский состав сплавов системы А–В».

29
Линии диаграмм состояния – это линии фазовых превращений
(«критические линии»), при пересечении которых фазовый состав
(структура) сплавов обязательно изменяется. Умение анализировать диаграммы состояния является важной частью освоения курса мате- риаловедения.
Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа. В результате получают серию кривых охлаждения, на которых притемпературах фазовых превра- щений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.
Температуры, при которых изменяется строение металлов и сплавов, называют критическими точками. При плавлении и за- твердевании чистые металлы имеют одну критическую точку, а спла- вы – две. В интервале между этими точками в сплавах существуют две фазы – жидкий сплав и кристаллы.
Некоторые критические точки имеют названия, например, точ- ки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидус,
а концу кристаллизации – точками солидус.
При сплавлении железа с углеродом (С) образуется карбид же- леза Fe3C, называемый цементитом, он содержит 6,67 % С.
Промышленные сплавы железа с углеродом содержат до ≈ 4 % С, поэтому их структуру изучают с помощью диаграммы состояния
«Железо – цементит» (Fe–Ц), т.е. компонентами данной системы яв- ляются Fe и Fe3C (рис. 7). На этом рисунке обозначены фазы во всех областях диаграммы, а под рисунком указаны структуры сплавов с различным содержанием углерода при нормальных температурах.
Рис. 18. Диаграмма состояния «железо – цементит»: внизу под диаграммой – обозначения структур сплавов с различным содержанием углерода при нормальных температурах

30
Значение диаграммы «железо – цементит» состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить ре- жимы термической обработки для изменения свойств сталей.
На диаграммах состояния верхняя система линий (в данном случае ABCD) называется линией ликвидус (лат. – жидкий), выше неё любой сплав находится в жидком состоянии. На рис. 18Ж – жидкая фаза (расплав) – жидкий раствор С в Fe. Система линий диаграммы непосредственно под ликвидусом (в данном случае AHJECF) называ- ется линией солидус (лат. – твёрдый), ниже неё любой сплав – в твёр- дом состоянии.
В системе Fe-Fe
3
C существуют три твёрдые (кристаллические) фазы: цементит – химическое соединение (на диаграмме его одно- фазная «область» – линия – DFKL) и твёрдые растворы С в Fe – аустенит (область GNJES) и феррит (0GPQ). Наличие двух твёрдых растворов является следствием полиморфизма железа – его способно- сти существовать в двух модификациях (
α
и
γ
) при различных тем- пературах. В интервале температур 0…911 ºС, а также 1392…1539 ºС – это
α
–Fe (или Fe
α
) с ОЦК решёткой, в интервале 911…1392 ºС же- лезо имеет ГЦК решётку – это γ–Fe (или Feγ).
Соответственно, при сплавлении железа с углеродом образуют- ся два твёрдых раствора внедрения С в Fe: феррит (Ф) – раствор С в
α
–Fe и аустенит (А) – раствор С в γ–Fe.
Из диаграммы Fe–Ц (рис. 18) видно, что окончательная струк- тура (при нормальных температурах) практически всех сплавов (пра- вее т. Q, т.е. >0,01 % С) формируется из двух фаз: Ф и Ц.
Феррит – твёрдый раствор на основе α–Fe, содержащий
< 0,02 % С, очень мягкая (твёрдость НВ ≤ 800) и пластичная (относи- тельное удлинение δ ≥ 30 %) фаза.
Цементит – карбид железа, напротив, очень твёрд (НВ ≈ 8000) и хрупок (δ ≈ 0 %). Такие характеристики Ф и Ц обусловливают су- щественную зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания С.
Ледебурит – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представляющая собой эвтектическую смесь аустенита и цементита, образующаяся в точке С
(1130°) диаграммы состояния железо – углерод. При охлаждении ни- же точки А (723° для чистых железоуглеродистых сплавов) аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит; следователь- но, при нормальной температуре ледебурит состоит из перлита и це- ментита.

31
Перлит – одна из структурных составляющих железоуглероди- стых сплавов – сталей и чугунов: представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз – феррита и цементита (в легированных сталях – кар- бидов).
Аустенит – высокотемпературная гранецентрированная моди- фикация железа и его сплавов. В углеродистых сталях аустенит – это твёрдый раствор внедрения, в котором атомы углерода входят внутрь элементарной ячейки γ-железа во время конечной термообработки.
Чтобы установить структуру сплава, нужно проследить, какие превращения происходят в нём при медленном охлаждении из жид- кого состояния до комнатной температуры.
Рассмотрим этот процесс на примере сталей – сплавов с содер- жанием углерода от 0,02 до 2,14 % С.
Формирование равновесной структуры углеродистых сталей в процессе кристаллизации
Из диаграммы Fe–Ц (рис. 18) следует, что все стали в результате затвердевания (т.е. непосредственно ниже линии солидус NJBE) при- обретают однофазную аустенитную структуру (А).
Видно также, что при дальнейшем охлаждении они пересекают ряд линий диаграммы, значит, в них происходят превращения в твёр- дом состоянии. Эти превращения вызваны явлением полиморфизма железоуглеродистых сплавов (а также уменьшением растворимости С в А (линия ЕS) и Ф (линия PQ) с понижением температуры). Как сле- дует из диаграммы Fe–Ц, эти превращения в сталях заканчиваются на линии PSK (727 ºС), т.к. ниже этой температуры какие-либо критиче- ские линии отсутствуют.
На примере стали, содержащей 0,8 % С (т. S), видно, что пре- вращение, происходящее при Т ≤ 727 ºС, заключается в распаде аустенита на смесь феррита и цементита: охл. А
S
→ Ф
Р
+ Ц , (2.1) где индексы S и Р показывают содержание С в аустените и феррите соответственно (в цементите оно не указывается, т.к. при любой тем- пературе равно 6,67 % С).
Такое превращение, когда при постоянной температуре из од- ной твёрдой фазы образуются две другие (при фиксированных соста- вах фаз), называется эвтектоидным.
В железоуглеродистых сплавах эвтектоидное превращение на- зывается перлитным, поскольку в результате него образуется перлит – чередующаяся смесь тонких кристаллов (пластинок) феррита и це- ментита – структура, напоминающая перламутровый (жемчужный) узор раковин.

32
В зависимости от содержания С углеродистые стали делятся на доэвтектоидные (0,02…0,8 % С), эвтектоидные (≈ 0,8 % С), заэвтек- тоидные (0,8…2,14 % С).
Из приведённого выше обсуждения очевидно, что равновесная структура эвтектоидной стали – перлит (рис. 19в).
Рис. 19. Структура технического железа (а), доэвтектоидной (б), эвтектоидной (в), заэвтектоидной (г) сталей
В доэвтектоидных сталях помимо перлита (П) в структуре со- держатся кристаллы избыточного феррита, образовавшиеся из аусте- нита при охлаждении между линиями GS и PS (рис. 19б).
В заэвтектоидных сталях перлитному превращению предшест- вует выделение вторичного цементита (Ц
ΙΙ
) из аустенита, поскольку предельное содержание С в А уменьшается с понижением температу- ры (по линии ES). Поэтому структура заэвтектоидных сталей состоит из зёрен перлита, разделённых сеткой кристаллов Ц
II
(рис. 19г).
Таким образом, основной структурной составляющей углероди- стых сталей в равновесном состоянии является перлит (рис. 19). Эв- тектоидная сталь содержит одну структурную составляющую (П), все остальные стали – по две: доэвтектоидные – П + Ф, заэвтектоидные –
П + Ц
II
В сплавах, содержащих < 0,02 % С (левее т. Р (рис. 19)), перлит в структуре отсутствует, т.к. в процессе охлаждения они не пересе- кают линию перлитного превращения (PSK). Эти сплавы называются техническим железом в отличие от химически чистого Fe, представ- ленного на диаграмме Fе – Ц вертикалью ANG0). Структура техниче- ского Fе – феррит (хотя в сплавах, содержащих 0,01…0,02 % С при- сутствует небольшое количество третичного цементита – Ц
III
).

33
Заметим, что, несмотря на разнообразие структур (обусловлен- ное тем, что сплавы с разным содержанием углерода пересекают при охлаждении различные линии диаграммы Fe – Ц), фазовый состав сплавов, содержащих >0,01 % С, одинаков – Ф + Ц.
Для экспериментального построения диаграммы состояния сплавов, образованных компонентами А и В, необходимо изготовить серию сплавов с различным содержанием этих компонентов. Для ка- ждого сплава экспериментально определяют критические точки, т.е. температуры фазовых превращений. Одна из простейших диаграмм приведена на рисунке 20.
Рис. 20. Схема построения диаграммы состояния
Полученные значения температуры откладывают на вертикаль- ных линиях в соответствии с химическим составом сплавов. Соеди- няя критические точки, получают линии диаграммы состояния.
Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом сво- бодной энергии, и поэтому её также называют диаграммой равнове- сия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.
Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа. В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превра- щений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.
По диаграмме состояния можно определить температуры фазо- вых превращений, изменение фазового состава, приблизительно, свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.

34
Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов системы представлены на рисунке 21.
Рис. 21. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)
Сначала получают термические кривые. Полученные точки пе- реносят на диаграмму, соединив точки начала кристаллизации спла- вов и точки конца кристаллизации, получают диаграмму состояния.
Проведём анализ полученной диаграммы.
1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В).
2. Число фаз: f = 2 (жидкая фаза L, кристаллы твёрдого раствора
α
).
3. Основные линии диаграммы:
− acb – линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии;
− adb – линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твёрдом состоянии.
4. Характерные сплавы системы:
Чистые компоненты А и В кристаллизуются при постоянной температуре, кривая охлаждения компонента В представлена на ри- сунке 21б.
Процесс кристаллизации сплава I: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, на- чинают образовываться центры кристаллизации твёрдого раствора
α
На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), свя- занный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1–2 идёт процесс кри- а) б)

35
сталлизации, протекающий при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов твёрдого раствора
α
) число степеней сво- боды будет равно единице (С=2-2+1=1). При достижении температу- ры соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твёрдом состоянии, со- стоящий из однородных кристаллов твёрдого раствора
α
По перегибам и остановкам на кривых охлаждения определяют критические температуры и критические точки сплава. Критической
называется температура, при которой происходит изменение в строении, а значит, и в свойствах металлов и сплавов. При критиче- ских температурах кривые охлаждения резко изменяют свой харак- тер.
Критическими точками называются точки перегиба на кривых охлаждения. Комплекс линий, объединяющих критические точки сплавов, в зависимости от химического состава сплава и его темпера- туры представляет собой диаграмму состояния.
При кристаллизации железоуглеродистых сплавов образуются следующие структурные составляющие: аустенит, феррит, цемен-
тит, перлит, ледебурит. Аустенит – твёрдый раствор углерода в же- лезе. Сплавы с содержанием углерода до 2 % (стали) при высоких температурах (выше 723 °С) имеют структуру чистого аустенита (на диаграмме это область AESG). Кристаллическая решётка аустенита гранецентрированный куб. При нормальной температуре (18–24 °С) аустенит в простых железоуглеродистых сплавах увидеть нельзя.
Аустенит, обладающий высокой пластичностью и низкой твёрдостью
(НВ170-200), хорошо поддаётся горячей обработке давлением (ковке, штамповке и прокатке). На диаграмме аустенит обозначается буквой А.
Диаграммы состояния сплавов дают возможность правильно выбрать сплав, характеризуют его поведение при обработке, физиче- ские и механические свойства. Существуют различные типы диа- грамм состояния в зависимости от числа компонентов и строения сплава. Рассмотрим диаграммы состояния сплавов из двух компо- нентов: свинец-сурьма, алюминий-кремний, медь-никель и др.
Диаграмма состояния 1-го рода характеризует сплавы (напри- мер, свинца с сурьмой), у которых компоненты в жидком виде полно- стью растворимы, а в твёрдом образуют механическую смесь. Для построения этой диаграммы выбирают три-четыре сплава различной концентрации, перенасыщенных либо свинцом, либо сурьмой, и на вспомогательной диаграмме температура-время (рис. 8 слева) наносят,

36 пользуясь данными наблюдений температуры кристаллизации чисто- го свинца и чистой сурьмы, а также нижеперечисленных сплавов:
1) 95 % Рв; 5 % SЬ; 2) 90 % Рв; 10 % SЬ; 3) 87 % РЬ; 13 % SЬ; 4) 60 %
РЬ; 40 % SЬ. Вначале вычерчивают кривые кристаллизации РЬ и SЬ
(1 и 6). Свинец кристаллизуется при 327 °С, сурьма – при 631 °С. Их кристаллизация отмечена горизонтальным участком кривой.
Рис. 22. Диаграмма состояния сплавов свинец – сурьма когда концентрация сурьмы достигает 13 %
Первый сплав (кривая 2) начинает кристаллизоваться при 300 °С с выделением избыточных кристаллов свинца. Оставшаяся часть спла- ва бедна свинцом, значит, концентрация сурьмы в ней возрастает, и, когда она достигает 13 %, при 246 °С происходит окончательная кри- сталлизация (см. горизонтальный участок кривой). Второй сплав
(кривая 3) кристаллизуется аналогично первому, но точка начала кри- сталлизации у него ниже, а кончается кристаллизация также при
246 °С.
Третий сплав (кривая 4) кристаллизуется полностью при одной температуре (246 °С) с одновременным выпадением кристаллов свин- ца и сурьмы. Четвёртый сплав (кривая 5) начинает кристаллизоваться при 480 °С с выделением избыточных кристаллов сурьмы. В жидком сплаве сурьмы становится всё меньше, и, когда её содержание сни- зится до 13 %, при 246 °С произойдёт окончательная кристаллизация.
Все точки начала и конца кристаллизации свинца, сурьмы и указан- ных четырёх сплавов перенесём на основную диаграмму. Соединив все точки начала кристаллизации, получают линию АЕВ. Эта линия называется ликвидусом. Все сплавы, лежащие выше ликвидуса, нахо-

37
дятся в жидком состоянии. Линия МЕN называется солидусом. Ниже этой линии все сплавы находятся в твёрдом состоянии. В интервале между ликвидусом и солидусом имеются две фазы: жидкий сплав
(ж. с.) и кристаллы одного из компонентов. В области МАЕ – жидкий сплав и кристаллы свинца, а в области ЕВN – жидкий сплав и кри- сталлы сурьмы. Сплав, содержащий 13 % сурьмы, кристаллизующий- ся при одной температуре, называется эвтектическим. Он имеет са- мую низкую температуру кристаллизации и отличается равномерной структурой. Сплавы, содержащие менее 13 % сурьмы, лежащие влево от эвтектики, называются доэвтектическими, а более 13 % сурьмы –
заэвтектическими. Структуры эвтектического, доэвтектического и заэвтектического сплавов сильно различаются между собой. Эвтек-
тика – структура с равномерно распределёнными компонентами.
В доэвтектических сплавах наряду с эвтектикой имеются кристаллы свинца, в заэвтектических – наряду с эвтектикой кристаллы сурьмы.
Различие структур определяет различие свойств, сплавов. Для опре- деления состояния сплава при любой температуре и нахождения то- чек кристаллизации с помощью диаграммы нужно из точки концен- трации данного сплава восставить перпендикуляр до пересечения с линиями ликвидуса и солидуса. Точки пересечения перпендикуляра укажут начало и конец кристаллизации. Практическое применение диаграммы свинец – сурьма находят, например, при выборе подшип- никового сплава. Пользуясь этой диаграммой, установили, что наибо- лее пригодными для подшипниковых сплавов являются заэвтектиче- ские сплавы, состоящие из мягкой эвтектики и твёрдых вкраплений сурьмы. Мягкая основа несколько изнашивается, а твёрдые кристал- лы сурьмы сохраняются, и поэтому в микроуглублениях мягкой осно- вы хорошо удерживается смазка. Наиболее подходящими сплавами для подшипников из всех заэвтектических оказались сплавы с содер- жанием 15–20 % SЬ, так как температуры кристаллизации (плавле- ния) этих сплавов (340–360 °С) соответствуют температурам, при ко- торых происходит заливка подшипников.
Лекция 5. Термическая и химико-термическая обработка стали.
Отжиг
Термической обработкой называется совокупность операций на- грева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с це- лью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Различают следующие виды термической об- работки: отжиг, закалка и отпуск.

38
Отжигом стали называется вид термической обработки, заклю- чающийся в её нагреве до определённой температуры, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении. Цели отжига – снижение твёрдости и улучшение обрабатываемости стали, изменение формы и величины зерна, выравнивание химического состава, снятие внутрен- них напряжений. Существуют различные виды отжига: полный, не- полный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, отжиг на зернистый перлит, нормализация. Температуры нагрева стали для ря- да видов отжига связаны с положением линий диаграммы Fе-Fе
3
С.
Низкая скорость охлаждения обычно достигается при остывании ста- ли вместе с печью. Полный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей. Нагрев стали для полного отжига осуществляется на
30…50 °С выше линии GS диаграммы Fе-Fе
3
С (рис. 23). При этом происходит полная перекристаллизация стали и уменьшение величи- ны зерна. Исходная структура из крупных зёрен феррита и перлита при нагреве превращается в аустенитную, а затем при медленном ох- лаждении – в структуру из мелких зёрен феррита и перлита. Повыше- ние температуры нагрева привело бы к росту зерна. При полном от- жиге снижается твёрдость и прочность стали, а пластичность повы- шается. При неполном отжиге нагрев производится на 30…50 °С вы- ше линии РSК диаграммы Fе-Fе
3
С (рис. 23). Он производится, если исходная структура не очень крупнозерниста или не надо изменить расположение ферритной (в доэвтектоидных сталях) или цементит- ной (в заэвтектоидных сталях) составляющей. При этом происходит лишь частичная перекристаллизация – только перлитной составляю- щей стали.
Рис. 23. Области температур для различных видов отжига:
1 – полный отжиг; 2 – неполный отжиг; 3 – диффузионный отжиг;
4 – рекристаллизационный отжиг; 5 – нормализация

39
Диффузионный отжиг (гомогенизация) заключается в нагреве стали до 1000…1100 °С, длительной выдержке (10…15 часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В резуль- тате диффузионного отжига происходит выравнивание неоднородно- сти стали по химическому составу. Благодаря высокой температуре нагрева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая структура, которая может быть устранена последующим полным от- жигом.
Рекристаллизационный отжиг предназначен для снятия наклёпа и внутренних напряжений после холодной деформации и подготовки структуры к дальнейшему деформированию. Нагрев необходимо осуществлять выше температуры рекристаллизации, которая для железа составляет 450 °С. Обычно для повышения скорости рекри- сталлизационных процессов применяют значительно более высокие температуры, которые, однако, должны быть ниже линии РSК диа- граммы Fе-Fе
3
С. Поэтому температура нагрева для рекристаллизаци- онного отжига составляет 650…700 °С. В результате рекристаллиза- ционного отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твёрдостью и значительной вязкостью.
Низкий отжиг применяется в тех случаях, когда структура стали удовлетворительна и необходимо только снять внутренние напряже- ния, возникающие при кристаллизации или после механической об- работки. В этом случае сталь нагревают значительно ниже линии РSК диаграммы Fе-Fе
3
С (200…600 °С).
Отжиг на зернистый перлит (сфероидизацию) применяют для сталей, близких к эвтектоидному составу, или для заэвтектоидных.
Такой отжиг осуществляют маятниковым способом (температуру не- сколько раз изменяют вблизи линии РSК, то перегревая выше неё на
30…50 °С, то охлаждая ниже на 30…50 °С) или путём длительной выдержки (5-6 часов) при температуре несколько выше линии РSК и последующего медленного охлаждения. После такого отжига цемен- тит, обычно присутствующий в структуре в виде пластин, приобрета- ет зернистую форму. Сталь со структурой зернистого перлита обла- дает большей пластичностью, меньшей твёрдостью и прочностью по сравнению с пластинчатым перлитом. Отжиг на зернистый перлит применяется для подготовки сталей к закалке или для улучшения их обрабатываемости резанием.
Нормализация состоит из нагрева стали на 30…50 °С выше линии GSE диаграммы Fе-Fе
3
С (рис. 18), выдержки при этой темпе- ратуре и последующего охлаждения на воздухе. Более быстрое охла- ждение по сравнению с обычным отжигом приводит к более мелко- зернистой структуре. Нормализация – более дешёвая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и

40 выдержки. Для низкоуглеродистых сталей (до 0,3 % С) разница в свойствах между нормализованным и отожжённым состоянием прак- тически отсутствует и эти стали лучше подвергать нормализации.
При большем содержании углерода нормализованная сталь обладает большей твёрдостью и меньшей вязкостью, чем отожжённая. Иногда нормализацию считают самостоятельной разновидностью термиче- ской обработки, а не видом отжига.
Лекция 6. Закалка и отпуск стали
Превращения в стали при охлаждении. При медленном охла- ждении стали образуются структуры, соответствующие диаграмме
Fе-Fе
3
C. Вначале происходит выделение феррита (в доэвтектоидных сталях) или вторичного цементита (в заэвтектоидных сталях), а затем происходит превращение аустенита в перлит. Это превращение за- ключается в распаде аустенита на феррит, почти не содержащий уг- лерода, и цементит, содержащий 6,67 % С. Поэтому превращение со- провождается диффузией, перераспределением углерода. Диффузи- онные процессы происходят в течение некоторого времени, причём скорость диффузии резко падает с понижением температуры. Обычно изучают изотермическое превращение аустенита (происходящее при выдержке при постоянной температуре) для эвтектоидной стали.
Влияние температуры на скорость и характер превращения представ- ляют в виде диаграммы изотермического превращения аустенита
(рис. 24).
Диаграмма строится в координатах температура – логарифм времени.
Рис. 24. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали (схема)

41
Выше температуры 72 °С на диаграмме находится область ус- тойчивого аустенита. Ниже этой температуры аустенит является не- устойчивым и превращается в другие структуры. Первая С-образная кривая на диаграмме соответствует началу превращения аустенита, а вторая – его завершению. При небольшом переохлаждении – прибли- зительно до 550 °С – происходит упомянутое выше диффузионное перлитное превращение.
В зависимости от степени переохлаждения образуются структу- ры, называемые перлит, сорбит и тростит. Это структуры одного типа – механические смеси феррита и цементита, имеющие пластинчатое строение. Отличаются они лишь степенью дисперсности, т.е. толщи- ной пластинок феррита и цементита. Наиболее крупнодисперсная структура – перлит, наиболее мелкодисперсная – тростит. При пере- охлаждении аустенита приблизительно ниже 240 °С скорость диффу- зии падает почти до нуля и происходит бездиффузионное мартенсит- ное превращение. Образуется мартенсит – пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе. Мартенсит имеет ту же концентрацию углерода, что и исходный аустенит. Из-за высокой пересыщенности углеродом решётка мартенсита сильно искажается, благодаря чему мартенсит имеет высокую твёрдость (до НRС 65). Горизонтальная линия М
н диаграммы соответствует началу превращения аустенита в мартенсит, а линия М
к
– завершению этого процесса.
В диапазоне температур от мартенситного до перлитного пре- вращения происходит промежуточное превращение и образуется структура, называемая бейнит.
Закалка – это вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до определённой температуры, выдержке и последующем бы- стром охлаждении. В результате закалки повышается твёрдость и прочность, но снижается вязкость и пластичность. Нагрев стали про- изводится на 30…50 °С выше линии GSK диаграммы Fе-Fе
3
С. В до- эвтектоидных сталях нагрев выше линии GS необходим для того, чтобы после закалки в структуре не было мягких ферритных включе- ний. Для заэвтектоидных сталей применяется нагрев выше линии SК, так как присутствие цементита не снижает твёрдость стали.
Обычно в результате закалки образуется мартенситная структу- ра. Поэтому охлаждать сталь следует с такой скоростью, чтобы кри- вая охлаждения не пересекала С-образные кривые диаграммы изо- термического превращения аустенита (рис. 19). Для достижения вы- сокой скорости охлаждения закаливаемые детали погружают в воду
(для углеродистых сталей) или минеральные масла (для легирован- ных сталей).

42
Способность стали закаливаться на мартенсит называется зака- ливаемостью. Она характеризуется значением твёрдости, приобре- таемой сталью после закалки, и зависит от содержания углерода. Ста- ли с низким содержанием углерода (до 0,3 %) практически не закали- ваются и закалка для них не применяется.
Прокаливаемостью называется глубина проникновения закален- ной зоны. Отсутствие сквозной прокаливаемости объясняется тем, что при охлаждении сердцевина остывает медленнее, чем поверх- ность. Прокаливаемость характеризует критический диаметр D
кр
, т.е. максимальный диаметр детали цилиндрического сечения, которая прокаливается насквозь в данном охладителе.
Отпуск стали – это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определённой темпе- ратуры (ниже линии РSК), выдержке и охлаждении. Цель отпуска – получение более равновесной по сравнению с мартенситом структу- ры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластич- ности. Различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск проводится при температуре 150…200 °С. В ре- зультате снимаются внутренние напряжения, происходит некоторое увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твёрдо- сти. Образуется структура мартенсит отпуска. Низкому отпуску под- вергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, кото- рые должны обладать высокой твёрдостью и износостойкостью.
При среднем отпуске производится нагрев до 350…450 °С. При этом происходит некоторое снижение твёрдости при значительном увеличении предела упругости и улучшении сопротивляемости дей- ствию ударных нагрузок. Структура стали представляет собой тро- стит отпуска, который имеет зернистое, а не пластинчатое строение.
Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.
Высокий отпуск проводится при 550…650 °С. В результате твёрдость и прочность снижаются значительно, но сильно возрастают вязкость и пластичность и получается оптимальное для конструкци- онных сталей сочетание механических свойств. Структура стали – сорбит отпуска с зернистым строением цементита. Применяется для деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкци- онных сталей.
Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стальных деталей до аустенитного состояния и быстрого охлаждения с целью получения высокой твёрдости и прочности в поверхностном

43
слое в сочетании с вязкой сердцевиной. Существуют различные спо- собы нагрева поверхности под закалку – в расплавленных металлах или солях, пламенем газовой горелки, лазерным излучением, током высокой частоты. Последний способ получил наибольшее распро- странение в промышленности.
При нагреве токами высокой частоты закаливаемую деталь по- мещают внутри индуктора, представляющего собой медные трубки с циркулирующей внутри для охлаждения водой. Форма индуктора со- ответствует внешней форме детали. Через индуктор пропускают электрический ток (частотой 500 Гц…10 МГц). При этом возникает электромагнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, нагре- вающие поверхность детали. Глубина нагретого слоя уменьшается с увеличением частоты тока и увеличивается с возрастанием продол- жительности нагрева. Регулируя частоту и продолжительность, мож- но получить необходимую глубину закалённого слоя, находящуюся в пределах 1…10 мм.
Преимуществами закалки токами высокой частоты являются ре- гулируемая глубина закалённого слоя, высокая производительность
(нагрев одной детали длится 10 с), возможность автоматизации, от- сутствие окалинообразования. Недостаток – высокая стоимость ин- дуктора, который является индивидуальным для каждой детали. По- этому этот вид закалки применим, в основном, к крупносерийному и массовому производству.
Перспективный метод поверхностной закалки стальных деталей сложной формы – лазерная обработка. Благодаря высокой плотности энергии в луче лазера возможен быстрый нагрев очень тонкого слоя металла. Последующий быстрый отвод тепла в объём металла приво- дит к закалке поверхностного слоя с приданием ему высокой твёрдо- сти и износостойкости.
Химико-термическая обработка – это процесс изменения хи- мического состава, структуры и свойств поверхности стальных дета- лей за счёт насыщения её различными химическими элементами. При этом достигается значительное повышение твёрдости и износостой- кости поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины. К ви- дам химико-термической обработки относятся цементация, азотиро- вание, цианирование и др.
Цементация – это процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производится путём нагре- ва стальных деталей при 880…950 °С в углеродосодержащей среде, на- зываемой карбюризатором. Различают два основных вида цементации –

44 газовую и твёрдую. Газовая цементация проводится в газе, содержа- щем метан СН
4
и оксид углеродаСО. Твёрдая цементация проводится в стальных ящиках, куда укладываются детали вперемешку с карбю- ризатором. Карбюризатором служит порошок древесного угля с до- бавкой солей Na
2
СО
3
или ВаСО
3
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода
(0,1…0,3 %). В результате на поверхности концентрация углерода возрастает до 1,0…1,2 %. Толщина цементованного слоя составляет
1…2,5 мм.
Цементацией достигается только выгодное распределение угле- рода по сечению детали. Высокая твёрдость и износостойкость по- верхности получается после закалки, которая обязательно проводится после цементации. Затем следует низкий отпуск. После этого твёр- дость поверхности составляет HRC 60.
Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. При этом повышаются не только твёрдость и износо- стойкость, но и коррозионная стойкость. Проводится азотирование при температуре 500…600 °С в среде аммиака NН
3
в течение дли- тельного времени (до 60 ч). Аммиак при высокой температуре разла- гается с образованием активного атомарного азота, который и взаи- модействует с металлом.
Твёрдость стали повышается за счёт образования нитридов ле- гирующих элементов. Поэтому азотированию подвергают только ле- гированные стали. Наиболее сильно повышают твёрдость такие леги- рующие элементы, как хром, молибден, алюминий, ванадий. Глубина азотированного слоя составляет 0,3…0,6 мм, твёрдость поверхност- ного слоя по Виккерсу доходит до НV 1200 (при цементации НV 900).
К преимуществам азотирования перед цементацией следует от- нести отсутствие необходимости в дополнительной термообработке, более высокую твёрдость и износостойкость, высокую коррозионную стойкость поверхности. Недостатками являются низкая скорость про- цесса и необходимость применения дорогих легированных сталей.
Цианирование (нитроцементация) – это процесс одновременно- го насыщения поверхности стали углеродом и азотом. Проводится цианирование в расплавах цианистых солей NaСН или KCH или в га- зовой среде, содержащей смесь метана СН
4 и аммиака NH
3
. Различа- ют низкотемпературное и высокотемпературное цианирование.
Низкотемпературное цианирование проводится при температуре
500…600 °С. При этом преобладает насыщение азотом. Глубина циа- нированного слоя составляет 0,2…0,5 мм, твёрдость поверхности –

45
НV 1000. При высокотемпературном цианировании температура со- ставляет 800…950 °С. Преобладает насыщение углеродом. Глубина поверхностного слоя составляет 0,6…2,0 мм. После высокотемпера- турного цианирования следует закалка с низким отпуском. Твёрдость после термообработки составляетHRC 60.
Поверхностное упрочнение пластическим деформированием основано на способности стали к наклёпу при пластической дефор- мации. Наиболее распространёнными способами такого упрочнения поверхности являются дробеструйная обработка и обработка поверх- ности роликами или шариками.
В результате повышается твёрдость и износостойкость обрабо- танной поверхности. Кроме того, сглаживаются мелкие поверхност- ные дефекты. Глубина упрочнённого слоя при дробеструйной обра- ботке составляет около 0,7 мм. Обкатка роликами производится с по- мощью специальных приспособлений на токарных станках. Помимо упрочнения, обкатка снижает шероховатость обрабатываемой по- верхности. Глубина упрочнённого слоя доходит до 15 мм.