Адрес этой страницы' ?>

<<Предыдущая страница Оглавление книги Следующая страница>>

Диаграмма состояния железо-углерод. Пример определения структуры стали с содержанием 0,45% С углерода.

При охлаждении расплавленной стали формирование структуры ее происходит в определенной последовательности. Графическое изображение состояния стали и ее структуры в зависимости от температуры и содержания в ней углерода называется диаграммой состояния. Такая диаграмма изображена на рис. 5. Посмотрим, как ею можно воспользоваться для определения структуры стали с заданным содержанием углерода при той или иной температуре.

Рис. 5. Часть диаграммы состояния железо-углерод: А — аустенит; Ф — феррит; П — перлит; Ц — цементит

Возьмем, например, образец стали, в которой содержится 0,45% С, т. е. сталь 45. Нагреем его до расплавления, а затем будем постепенно охлаждать. Какие при этом будут происходить превращения в стали? Какую структуру и какие, следовательно, свойства будет иметь образец после охлаждения до комнатной температуры? На эти и многие другие вопросы, касающиеся термической обработки, поможет ответить диаграмма состояния.

Найдем на нижней горизонтальной линии диаграммы, где отложено содержание углерода в %, точку, соответствующую 0,45% С. Это будет точка М. Проведем из нее вертикальную прямую. По этой прямой можно на диаграмме проследить за всеми превращениями, происходящими в стали. При любой температуре выше линии АС сталь находится в расплавленном состоянии. При охлаждении ниже температуры точки 1 начнется ее затвердевание, и из жидкого расплава будут выделяться кристаллы аустенита. При температуре ниже точки 2 затвердевание полностью завершится, и сталь будет иметь структуру, состоящую только из аустенита. Затем, когда температура опустится ниже точки 3, начнется перестройка атомной решетки железа из гране-центрированной в объемно-центрированную. Это значит, что появится феррит — твердый раствор углерода в железе с объемно-центрированной решеткой. Но в феррите, как мы уже теперь знаем, может содержаться лишь ничтожно малое количество углерода, и поэтому почти весь углерод сохраняется в оставшемся еще аустените.

Поскольку количество аустенита по мере снижения температуры непрерывно убывает, то, очевидно, процентное содержание углерода в оставшемся аустените должно повышаться. Диаграмма построена таким образом, что линия GS показывает, как изменяется содержание углерода в остающемся аустените. При температуре точки 4, лежащей на линии PSK, содержание углерода в аустените будет соответствовать точке S, т. е. равно 0,8%. При снижении температуры ниже точки 4 (727°С) из аустенита будут одновременно выделяться кристаллики феррита и цементита, образуя как бы механическую смесь из двух видов кристалликов. Такая структура получила название перлит, так как после полировки и травления она по окраске шлифов напоминает перламутр. Таким образом, структура стали 45 после медленного охлаждения до комнатной температуры должна состоять из перлита и ранее выделившегося феррита. Подобную структуру будут иметь и другие стали, содержащие до 0,8% С (например, стали 10, 20, 50 и др.). Различие будет лишь в том, что в сталях с небольшим содержанием углерода мало перлита, но много феррита, а в сталях с высоким содержанием углерода, наоборот,— мало феррита, но много перлита. На рис. 6 показан вид этих структур.

Рис. 6. Микроструктуры конструкционных углеродистых сталей (темные участки — перлит, светлые — феррит):

а — сталь 20; б — сталь 35; в — сталь 50

Чтобы правильно оценить свойства таких сталей, нужно учесть, что феррит мягок и пластичен, а перлит тверд, но более хрупок. Эти свойства перлиту придает цементит, входящий в его состав. В самом деле, перлитную структуру можно представить в виде слоеного пирога, состоящего из кристалликов мягкого феррита с прослойками твердого цементита. Вид такой структуры показан на рис. 7. Пластины цементита придают перлиту высокую твердость и износостойкость.

Рис. 7. Микроструктура перлита при большом увеличении

Таким образом, с повышением содержания углерода в стали увеличивается объем, занимаемый перлитом, и в результате повышается твердость и прочность. И наоборот, с понижением содержания углерода увеличивается доля феррита, и сталь становится мягкой и пластичной. В связи с этим детали, от которых не требуется высокой прочности (шайбы, гайки и т. п.), изготовляют из низкоуглеродистой стали, а детали, от которых требуется высокая прочность, твердость или износостойкость (валы, оси и др.),— из стали с более высоким содержанием углерода.

Мы рассмотрели структуры и свойства сталей, содержащих менее 0,8% С и применяемых для изготовления деталей разнообразных машин и конструкций.

Такие стали называют конструкционными.