Критические точки сталей
Критическими точками называются такие температуры во время нагревания или остывания стали, при которых совершаются химические изменения и физические превращения, имеющие влияние на свойства стали.
Пусть линия totn представляет нам термометрическую шкалу нагрева стали от ее холодного состояния to до точки плавления tn. Если брусок мягкой стали, который в холодном состоянии сгибается и разгибается без следов трещин, нагреем до температуры t1 и подвергнем его изгибу, то он при этой температуре теряет свою вязкость и легко ломается. Эта К. точка соответствует температуре синей побежалости (см. Побежалости стали), около 375° Ц., а самое явление называется синеломкостью. При дальнейшем постепенном подогреве, перейдя точку t1, сталь опять приобретает вязкость и гибкость, брусок постепенно удлиняется, температура его правильно повышается, и если нагрев не дошел до температуры t2, то брусок при быстром охлаждении в воде не принимает совсем закалки.
Раз только нагрев достиг температуры t2, брусок перестает удлиняться, повышение температуры на время останавливается и даже происходит понижение ее. При медленном же охлаждении бруска, раскаленного раньше до температуры выше t2, наоборот, брусок, достигнув точки t2, перестает укорачиваться, температура его не только перестает понижаться, но даже, без видимых причин, повышается на несколько градусов и брусок делается светлее. Эта К. точка меняет свое положение в зависимости от твердости стали и соответствует 580-680°, самое же явление называется рекалесценцией (racalescenсе), самонагревом или бликованием. В этой К. точке сталь претерпевает химические изменения. При нагревании бруска незакаленной стали, карбид, т. е. химическое соединение железа с углеродом (см. Карбид), в точке t 2 начинает распадаться с выделением свободного углерода, который растворяется в массе железа. Наоборот, при медленном охлаждении, углерод в точке t2 соединяется с соответствующим количеством железа в карбид. В первом случае химическое изменение вызывает поглощение теплоты, во втором — выделение [Ср. также в ст. Железо. Δ.]. К. точка t2 еще в 70-х годах была замечена нашим металлургом Д. К. Черновым, который определил ее значение следующим образом: сталь, нагретая ниже точки а, не закаливается.
При дальнейшем подогреве, если только нагрев не дошел до температуры t3, сталь хотя начинает принимать закалку, но по виду излома можно предположить, что в ней не совершается заметной перегруппировки частиц, потому что после медленного или быстрого охлаждения структура стали остается та же, что и до нагрева. Когда нагрев дошел до температуры t3 (точка в Чернова), перегруппировка совершается быстро, ибо после охлаждения брусок переменяет свою структуру из крупно в мелкозернистую. Следует предположить, что при этой температуре размягченные зерна или кристаллы стали слипаются между собой и образуют воскообразную массу аморфного сложения, которая при охлаждении ниже температуры t3 остается уже без перемены. При медленном охлаждении бруска, нагретого выше температуры t3, опять масса стали распадается на отдельные кристаллы или зерна и степень кристаллизации будет зависеть от удаления этой температуры вправо от точки t3 и от времени, сколько прошло для ее понижения до точки t3. Этой кристаллизации можно воспрепятствовать быстрым охлаждением бруска до температуры низшей t3, ниже которой кристаллизация уже не совершается. Таким образом, К. точка t3 представляет границу, где кончается кристаллизация при медленном охлаждении раскаленной стали. В зависимости от состава стали и главным образом от содержания углерода точка t3 находится между 700°-800°. Кроме вышеупомянутых явлений, замеченных Д. К. Черновым, по новейшей гипотезе Осмонда, в этой точке совершается превращение железа из одного состояния в другое.
По его исследованиям, в незакаленной или хорошо отожженной стали железо находится в некотором нормальном, мягком состоянии α, в закаленной же — в ненормальном, твердом состоянии β (железо закала). Во время нагрева незакаленной стали, железо а в точке t3 переходит в железо β, причем замечается поглощение теплоты. При медленном же охлаждении раскаленного бруска от температур высших t3, в этой точке железо β переходит в железо α с выделением тепла.
Для такого перехода нужен некоторый промежуток времени, при недостатке которого этот последний переход или вовсе не имеет места, или же совершается не вполне. Таким образом, быстрым охлаждением сообщается стали твердость, при медленном же охлаждении получается сталь мягкая. Эта К. точка непостоянна и в зависимости от твердости стали меняет свое положение. Чем сталь мягче, тем она больше удаляется от t0 и наоборот. Кроме того, в зависимости от сорта стали, таких К. точек, где совершается преобразование железа, существует несколько (t3, t4), приблизительно в пределах 700-855° Ц. Так, например, при медленном охлаждении разных сортов стали
Критические точки сталей (точки Чернова)
Открытие Д. К. Черновым в 1886 г. критических точек стали послужило фундаментом для создания науки о металлах и построения диаграммы железоуглеродистых сплавов. Важнейшее значение работ Чернова – установление связи между обработкой стали, ее структурой и свойствами. Это обеспечило возможность назначения режимов термической обработки сталей.
Критические точки сталей обозначают буквой А с индексом, указывающему, какому процессу соответствует критическая точка: нагреву – индекс «с», охлаждению – «r». Кроме того, каждая точка имеет постоянный номер, который соответствует определенной температуре (линии диаграммы).
Для определения критических точек сталей рассмотрим «стальную часть» диаграммы на рис. 24. Сечение I здесь соответствует доэвтектоидной стали (С
Затем сечение пересекает линию PSK, температура – 727°С, критическая точка Ас1 – превращение перлита в аустенит (начало перекристаллизации). Далее сечение пересекает линию МО, температура – 768°С, точка Ас2 – превращение железа-альфа в немагнитное бета-железо, сталь становится немагнитной. Дальнейшее повышение температуры приводит к пересечению линии GS – точка Ас3, сталь переходит в однофазное аустенитное состояние (конец перекристаллизации).
Температура точки Ас3 зависит от содержания углерода в стали, поскольку линия диаграммы GS наклонная.
При охлаждении номера точек не меняются. В точке Аr3 (линия GS) начнется перекристаллизация стали, в точке Аr2 (768°С) бета-железо переходит в магнитное альфа-железо, в точке Аr1 (727°С) аустенит переходит в перлит и заканчивается перекристаллизация стали, а в точке Ar0 цементит становится магнитным. Следовательно, доэвтектоидные стали имеют критические точки А0, А1, А2 и А3.
У заэвтектоидных сталей С > 0,8 % (сечение II на рис. 24). При температуре 210°С в точке Ас0 цементит теряет магнитные свойства. Дальнейший нагрев вызывает превращение перлита в аустенит в точке Ас1, температура – 727°С (начало перекристаллизации). Затем сечение пересекает линию диаграммы ES. На этой линии перекристаллизация заканчивается и происходит переход стали в однофазное аустенитное состояние. Точка на линии ES номера не имеет, она обозначается буквой m (Асm). Температура этой точки зависит от содержания углерода в стали. Следовательно, заэвтектоидные стали имеют три критические точки: А0, А1 и Аm.
Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что эвтектоидные стали (углерода 0,8 %) будут иметь две критические точки: А0 и А1 (см. рис. 24).
Как указывал Д. К. Чернов, важнейшими значениями температуры (критическими точками) стали будут А1, А3 и Аm. От температуры нагрева до указанных значений зависят фазовый состав, структура, а следовательно, и свойства стали.
Итак, при охлаждении на линии AC (см. рис. 22) из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода в гамма-железе – аустенита. По линии CD из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Под этой линией в области CDF все сплавы будут двухфазными: жидкий раствор и кристаллы цементита первичного. В точке С диаграммы (1147°С), соответствующей концентрации 4,3 % углерода, где линии АС и CD пересекаются, происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита первичного с образованием мелкой смеси их кристаллов – эвтектики. Эвтектика в железоуглеродистых сплавах называется ледебуритом.
Точка С диаграммы – эвтектическая, а линия ECF, проходящая через эту точку, – эвтектическая прямая, и в каждой точке этой прямой сплавы заканчивают первичную кристаллизацию образованием эвтектики. Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при первичной кристаллизации образуется эвтектика (ледебурит), называют чугунами. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми. В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита.
Чугуны, содержащие менее 4,3 % углерода, называются доэвтектическими, 4,3 % – эвтектическими, более 4,3 % – заэвтектическими.
Доэвтектические чугуны имеют в избытке гамма-железо, которое, растворяя углерод, образует аустенит (рис. 25, а). Поэтому в первую очередь в них образуются его кристаллы. Так будет до тех пор, пока жидкий сплав не приобретет эвтектический состав (4,3 % углерода); после этого он кристаллизуется на линии ЕС диаграммы состояния, образуя ледебурит. После окончания первичной кристаллизации эти сплавы состоят из кристаллов аустенита, окруженных эвтектикой, – ледебуритом.
У эвтектического чугуна, как у чистого металла кристаллизация начинается и заканчивается в точке С при постоянной и самой низкой для всех сплавов температуре – 1147°С. Его структура – мелкая смесь кристаллов аустенита и цементита – ледебурит.
Заэвтектические чугуны в избытке имеют углерод, который способствует образованию, в первую очередь, кристаллов цементита первичного. За счет выделения углерода состав жидкого сплава изменяется, и когда в нем останется 4,3 % углерода, он закончит кристаллизацию на линии СF при температуре 1147°C образованием ледебурита, структура его будет состоять из кристаллов цементита первичного и ледебурита (рис. 25, б).
Рис. 25. Микроструктура белых чугунов (´ 500):
а – доэвтектический; б – заэвтектический
При охлаждении белых чугунов после окончания процесса кристаллизации в них будут происходить структурные и фазовые изменения. В доэвтектических чугунах в интервале температур от 1147 до 727°C вследствие понижения растворимости углерода от 2,14 до 0,8 % из аустенита будет выделяться цементит вторичный. На линии PSK при температуре 727°C произойдет эвтектоидное превращение аустенита в перлит и ледебурит будет состоять из перлита и цементита. Следовательно, структура этих чугунов будет перлит, цементит вторичный и ледебурит (см. рис. 25, а).
В эвтектических и заэвтектических чугунах в процессе охлаждения после первичной кристаллизации будет происходить только эвтектоидное аустенито-перлитное превращение на линии PSK при температуре 727°C. Входящий в структуру этих чугунов ледебурит также будет состоять из перлита и цементита (см. рис. 25, б).
Классификация и маркировка углеродистых сталей и чугунов
— по диаграмме состояний – доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтекто-идные;
— по структуре – феррит + перлит, перлит, перлит + цементит вторичный;
— по способу выплавки – выплавленные в конверторах (конверторные), мартеновских и электрических печах (мартеновские и электростали);
— по содержанию углерода – низкоуглеродистые (менее 0,3 %), среднеуглеродистые (0,3 – 0,7 %) и высокоуглеродистые (0,7 % и более);
— по степени раскисления и характеру затвердевания – спокойные (сп), полуспокойные (пс), кипящие (кп). Кипящие стали содержат минимальное количество кремния (не более 0,07 %), дешевы, хорошо поддаются холодной листовой штамповке, но по сравнению со спокойными имеют высокий порог хладноломкости, и их нельзя использовать для изготовления ответственных конструкций в условиях Сибири и Севера. Порог хладноломкости – отрицательная температура, при которой металл переходит в хрупкое состояние;
— по качеству – обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Основными показателями для их разделения служат нормы содержания вредных примесей – серы и фосфора;
— по назначению – конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали предназначены для изготовления металлоконструкций, деталей машин и должны обладать высокой конструктивной прочностью (определенным комплексом механических свойств), иметь хорошие технологические свойства.
Обычно они содержат не более 0,6 – 0,7 % углерода и имеют ферритно-перлитную структуру, т. е. являются сталями доэвтектоидными. Инструментальные стали, содержащие не менее 0,7 % углерода, должны обладать высокой твердостью, прочностью и износостойкостью, предназначены для изготовления инструментов. Это стали эвтектоидные и заэвтектоидные, их структура – перлит или перлит и цементит вторичный.
Критические точки стали
Что такое критические точки стали
Критические точки стали или точки Чернова — критические температуры, при которых происходит изменение фазового состояния и структуры стали при нагреве или охлаждении её в твёрдом виде. Установлены Черновым Дмитрием Константиновичем в 1868 году.
Критические точки обозначают буквой А. Нижняя критическая точка соответствует линии PSK диаграммы состояния железо-углерод. Эта точка называется А1 и соответствует превращению аустенита в перлит при охлаждении или перлита в аустенит при нагреве. Верхняя критическая точка называется А3. Критическая точка А3 для доэвтектоидных сталей лежит на линии GS диаграммы железо-углерод и соответствует началу выделения феррита при охлаждении или концу его растворения при нагреве. Критическая точка А3 для заэвтектоидных сталей лежит на линии SE и соответствует началу выделения вторичного цементита при охлаждении или концу его растворения при нагреве.
В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс “с” при нагреве (от французского слова chauffage – нагрев) и индекс ”r” (от французского слова refroidissement – охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.
Точка Mn в таблице обозначает температуру начала мартенситного превращения.
При термической обработке сталей, значения критических точек чаще всего используют чтобы определить температуру нагрева под закалку.
Как выбрать температуру нагрева под закалку
Для доэвтектоидных сталей (содержание углерода в стали менее 0.8%) обычно выбирают температуру закалки по формуле Ас3+30. 50°C. На практике встречаются случаи, когда доэвтектоидные стали закаливают с интервала температур между Ас1 и Ас3. В этом случае структура стали будет состоять из мартенсита и нерастворенного феррита. Такой процесс называется неполной закалкой и теоретически является браком. На практике к такую схему используют, чтобы снизить коробление деталей или исключить трещинообразование в высоколегированных сталях.
Заэвтектоидные стали обычно нагревают под закалку до температур Ас1+30. 50°C. После закалки, структура стали будет состоять из мартенсита и вторичного нерастворённого цементита, который повышает твердость и износостойкость изделий.
Критические точки стали
Определение и расшифровка
Критические точки – это значения температуры, в результате которых меняются физические и химические свойства стального сплава.
Обозначаются такие показатели буквой А. В нижнем значении точки на графике на прямой PSK сталь имеет состояние «железо-углерод». Называют такую точку – А1, именно при этом значении аустенит превращается в перлит в процессе охлаждения материала, и перлит в аустенит при нагревании сплава. В верхней части диаграммы критическим значением является значение Аз. Для доэвтектоидных сплавов из стали Аз находится на прямой GS. При такой величине происходит выделение феррита во время процесса охлаждения железа и прекращение его растворения при нагревании. Точка Аз для заэвтектоидных стальных сплавов находится на прямой SE. При такой величине происходит выделение вторичного цементита в процессе охлаждения стального материала, и прекращается растворение при повышении температурного режима.
Аббревиатура Mn является точкой, при которой на графике начинается мартенситное превращение.
Изменение состояния стали в критических точках
Критические точки при термообработках, как правило, необходимы для определения температурных режимов требуемых для закалки стали.
Линия to tn это значения при нагреве от начального охлажденного состояния точки to до плавления в точке tn. Если из мягкого стального сплава, который находится в охлажденном состоянии при сгибании и разгибании не образует трещин, увеличим до значения температуры t1 и подвергнуть изгибу, то при таком температурном режиме он способен потерять вязкость и может поломаться. Такая температура является температурой синей побежалости (или Побежалости стали), равной примерно 375 0 С обозначается буквой К, такое состояние стали называется синеломкость. Если и далее продолжить подогрев, и температура при этом станет выше t1, то материал вновь станет вязким и гибким, и деталь будет постепенно удлиняться, а температура ее правильно повышаться. При дальнейшем нагревании не больше температуры t2, если быстро охладить материал, он совсем не примет закалки.
Как только температурный режим повысится до значения точки t2, сталь перестает удлиняться, температура не повышается и даже начинает постепенно понижаться. Если медленно охлаждать деталь из стали, которая была раскалена не выше температуры точки t2, брусок, в температурном режиме в точке t2, прекращает укорачиваться, а температура его не только не понижается, но, даже не смотря ни на что, начинает повышаться и сталь становится светлее. Такая критическая точка может меняться в зависимости от твёрдости стали. Температура критических точек при этом варьируется от 580 до 680 градусов, а называют такое явление рекалесценцией, само нагревом либо бликованием. В этих критических точках у стального сплава происходят химические изменения. При нагреве стального материала с карбидом в точке t2 происходит распад с выделением углерода, с растворением в железной массе. Если медленно охлаждать материал, то в t2 происходит соединение углерода и стали в карбид. При этом в первом случае происходят процессы, связанные с поглощением тепла, а во втором ее выделение.
Критическую точку t2 в семидесятых годах заметил ученый Д. К. Чернов, который предложил определять её значение в следующем виде: стальной материал при нагревании ниже данного значения, не способен закаливаться. Критические точки представляют собой температурные режимы, способные изменять фазовые состояния и структуру сплава путем нагревания или охлаждения детали. Если и дальше подогревать стальной материал, но не выше температурного значения t3, сталь, несмотря на то, что способна принимать закалку, не будет менять свою структуру при медленном или быстром понижении температурного режима, и останется такой же, что и была до нагревания. При повышении температуры до значений Чернова с температурой t3, происходит быстрая перегруппировка, так как охлажденный материал изменяет свое структурное состояние из крупного в мелкозернистое. Такая температура позволяет добиться того, что размягчённые зёрна стального сплава крепко соединяются и превращаются воскообразный материал с аморфным сложением, который при понижении температуры ниже значения t3 не меняется. Медленное охлаждение детали, нагретой выше температурного режима точки t3, вызывает вновь распадение стального материала на зёрна, а сама кристаллизация зависит от дальнейшего изменения температурного режима дальше от точки t3 справа и от временного промежутка, который прошел до её понижения до критического значения t3. Такой процесс кристаллизации можно прекратить путем быстрого охлаждения детали до температуры критических точек ниже t3, то есть до точек, где уже не происходит процесс кристаллизации. Таким образом, критические точки при значении t3 означают границу, при которой заканчивается процесс кристаллизация при охлаждении раскалённого стального сплава. Эта критическая точка имеет значение от 700 до 800 градусов цельсия, что зависит от состава стального сплава и от содержания частиц углерода.
Помимо всех перечисленных выше явлений, по новым результатам исследований Осмонда, в такой точке происходит превращение стали из одного состояния в другое.
Благодаря исследованиям в области плавления сплавов, было выявлено, что в незакаленном или хорошо отожжённом стальном сплаве, железный материал имеет мягкое состояние, в закаленном же — твёрдое. При нагреве незакаленного сплава, металл при значении t3 изменяет состояние, при этом происходит поглощение теплоты. Если медленно охлаждать раскаленную деталь до критических точек выше значения t3, в при таких величинах сплав изменяет свое состояние, выделяя тепло.
Такое изменение требует некоторого времени, при нехватке которого переходить в другое состояние или вовсе не имеет смысла, или же такой переход совершается не полностью. Таким образом, при быстром охлаждении сталь становится твердее, а при медленном стальной сплав становится мягким. Критические точки не бывают постоянными и зависят от величины твердости сплава. Стальной материал становится еще мягче при удалении от точки t0. При этом значение критических точек зависит от сорта стального материала, который преобразуется при температуре от 700 до 855 градусов цельсия.
Как правильно определить температурный режим необходимый для закалки?
Температуру при закалке доэвтектоидной стали, т.е. сплавов из стали с присутствием углерода меньше 0,8 процента, определяют по формуле А с3+30. 50C. Но бывают случаи, когда доэвтектоидная сталь закаливается при критических точках от точки А с1 до А с3. При этом сталь будет иметь структуру состоящую из нерастворённых мартенсита и феррита. Все это является процессом неполной закалки стали и фактически считается браком. В производстве такое явление используется для снижения коробления деталей либо для исключения образования трещин в высоколегированных видах стали.
Заэвтектоидный стальной сплав при закалке нагревается до температурных режимов критических точек А с1+30-50C. По окончании процесса закалки стальной материал будет иметь структуру из вторичного нерастворённого цементита и мартенсита. Такой процесс позволяет повысить твёрдость и износостойкость продукции из стали.
Основные виды термической обработки стали
Из учебника А.П.Гуляева «Металловедение»
Естественно, что верхней температурной границей при термической обработке является линия солидуса, поэтому процессы первичной кристаллизации и, следовательно, верхняя часть диаграммы для нас в данном случае не имеют большого значения.
 |
