При какой температуре стали теряют свои магнитные свойства

Строение стали

Внимательно всмотревшись в излом металла, ясно можно увидеть, что он представляет собой нагромождение (совокупность) отдельных кристаллов (зерен), крепко сцепленных между собой. Мельчайшей частицей металла, как и всякого другого вещества, является атом. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы железа, атомы расположены в определенном порядке. Это расположение изменяется в зависимости от температуры нагрева. При любой температуре ниже 910° атомы в ячейках кристаллов располагаются в виде куба, образуя так называемую кристаллическую решетку альфа-железа. В этом кубе восемь атомов расположены в углах решетки и один в центре.

При нагреве свыше 910° происходит перегруппировка атомов и кристаллическая решетка представляет собою форму куба с четырнадцатью атомами; условно ее называют решеткой гамма-железа. При температуре 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решетку с девятью атомами, носящую название дельта-железо. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами атомов и сохраняется до момента расплавления железа, т. е. до 1535° (Рис. 1).

Перестройка кристаллической решетки при медленном охлаждении происходит в обратном порядке: дельта-железо при 1390° превращается в гамма-железо, а гамма-железо при 898° превращается в альфа-железо.

Рис. 1. Строение    кристаллической    решетки:    а — альфа и дельта железа; б — гамма железа.

Критические точки превращения

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как видно из этих кривых, в процессе перестройки одной решетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении дополнительного количества тепла при нагревании.

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа.

Температурные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются Аrпри охлаждении и Ас при нагревании. В точках Аr2и Ас2,не происходит перестройка атомной решетки, а изменяются магнитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические точки А с3и Аr3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит также перестройка атомной решетки, но температуры критических точек не постоянны. Они зависят от содержания углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

На рис. 3 представлена диаграмма состояния углеродистой стали при медленном охлаждении и нагревании.

Рис.3. Диаграмма состояния углеродистых сталей.

Структура стали

Структурой стали называется внутреннее ее строение. Углерод в стали находится в виде химического соединения с железом, и это соединение называется — цементит. Кроме цементита, в стали имеется феррит, представляющий собой почти чистое железо. В зависимости от содержания углерода большая или меньшая часть феррита находится в механической смеси с цементитом, образуя новую структуру — перлит. Если небольшой кусок металла прошлифовать, отполировать и протравить в специальном реактиве, то под микроскопом можно различить структуры. Ниже приводится описание структур железоуглеродистых сплавов.

Аустенит представляет собою твердый раствор углерода и других элементов в гамма-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в ау-стените — это 2%. Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.

В обычных сталях аустенит устойчив только лишь при температуре выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры. При комнатной температуре аустенит полностью сохраняется в ряде марок нержавеющих сталей, в высокомарганцовистой стали и в незначительном количестве остается при закалке некоторых марок инструментальной и конструкционной сталей.

Аустенит мягок, пластичен, тягуч, мало упруг. Твердость его по Бринелю находится в пределах 170—220.

Аустенит немагнитен, обладает невысокой электропроводностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода и других элементов в альфа-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в феррите, это 0,04%. Феррит устойчив при температурах ниже критической точки AC1. Он выделяется из аустенита при медленном охлаждении последнего ниже A6i. Феррит мягок, сильно тягуч. Твердость HB= 60—100. Феррит магнитен до 768°. Свыше этой температуры он теряет магнитные свойства.

Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом Fe3C—карбид железа. Цементит содержит углерода 6,67%. Выделяется из жидкого и твердого раствора при медленном охлаждении. Цементит весьма тверд и хрупок. Твердость его НB= 800—820. Он магнитен до 210°. Выше этой температуры цементит теряет магнитные свойства.

Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при медленном его охлаждении. Температура превращения аустенита в перлит 723°С. При весьма медленном переходе через эту температуру цементит образуется в виде зерен (глобулей), и тогда перлит называется зернистым. При более быстром охлаждении цементит приобретает форму пластинок, и такой перлит называется пластинчатым. При весьма быстром охлаждении в результате значительного переохлаждения аустенита вместо перлита получаются другие структуры, о которых речь будет ниже.

Перлит магнитен, прочен и пластичен. Твердость его находится в пределах от 160 до 230 кг/мм2 по Бринелю. При обработке резанием наиболее чистую поверхность дает структура зернистого перлита.

Мартенсит образуется в результате весьма быстрого охлаждения (закалки) аустенита. При быстром охлаждении успевает произойти перестройка кристаллической решетки гамма-железа в решетку альфа-железа, выделение же углерода в карбид железа не успевает произойти, и он весь остается растворенным в решетке альфа-железа. Так как нормально альфа-железо может растворить в себе не более 0,04% углерода, то такой раствор называют пересыщенным. Он отличается весьма большой твердостью (свыше Rc= 60) и хрупкостью. Следует указать, что решетка альфа-железа, получающаяся в результате закалки, имеет искаженную форму. Так, размеры ее граней не одинаковы — в одном направлении они удлинены за счет других (см. рис. 4). Такая решетка называется тетрагональной. Чем больше в стали углерода, тем больше тетрагональность решетки и тем более велики внутренние напряжения. При нагревании до температур 100—200° тетрагональность мартенсита уменьшается, форма кристаллической его решетки приближается к форме правильного куба, и вместе с этим уменьшаются внутренние напряжения. Мартенсит магнитен.

Рис. 4. Строение кристаллической решетки стали, закаленной на мартенсит.

Троостит представляет собой высокодисперсную (мелкораздробленную) смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с замедленной против закалки скоростью или в результате нагрева (отпуска) мартенсита в пределах 250—400°.

При нагреве закаленной стали происходит постепенное выделение углерода из кристаллической решетки с образованием карбидов. Троостит менее прочен, более пластичен, чем мартенсит. Твердость его НB330—400. При охлаждении аустенита в горячих средах в интервале 250—400° (изотермическое превращение аустенита) происходит образование игольчатого троостита, несколько более прочного, чем обычный троостит.

Сорбит представляет собой дисперсную смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с небольшой скоростью или при нагреве (отпуске) мартенсита до 400—650°. Карбиды сорбита более крупные, чем троостита. Сорбит пластичен, вязок и магнитен. Твердость НВ 270—320.

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он содержит углерода 4 3% Образуется ледебурит при затвердевании жидкого сплава с содержанием углерода свыше 2%. Ледебурит хрупок.

На рис. 5. представлены фотоснимки структур стали с различным содержанием углерода.

Структура стали с содержанием углерода 0,83% состоит из сплошного   перлита и называется   эвтектоидной; при меньшем содержании углерода структура стали состоит из перлита и феррита и носит название доэвтектоидной, а при большем содержании углерода — из перлита и цементита и называется заэвтектоидной. Температура 723°, при которой перлит переходит в аустенит, также называется критической и обозначается Ас.

Для того чтобы доэвтектоидную и эвтектоидную сталь полностью отжечь, нормализовать или закалить, их нужно нагреть до такой температуры, при которой они перешли бы в аустенитное состояние.

Рис. 5. Микроструктура отожженной углеродистой стали:

а – с содержанием углерода -0,1%

б – с содержанием углерода -0,85%

в – с содержанием углерода -1,1%

Превращения, происходящие в стали при нагревании

По диаграмме на рис. 3 можно проследить за изменениями структуры трех разных марок стали при нагревании:

1. Сталь с содержанием углерода 0,83%. Структура стали представляет собой перлит. При температуре 723° в точке Aс1 перлит переходит в аустенит.
2. Сталь с содержанием углерода 0,4%. Структура стали представляет собой перлит и феррит. При температуре 723° в точке К1  перлит переходит в аустенит, и по мере повышения температуры происходит растворение свободного феррита в аустените. При пересечении линии GS в точке К2 закончится растворение феррита и структура будет полностью состоять из аустенита. Для этой стали точка К1на диаграмме будет нижней критической точкой Ас1,а К2— верхней критической точкой Ас1,.
3. Сталь с содержанием углерода 1,2%. Структура стали представляет собой перлит и цементит. При температуре 723° в точке Pi перлит переходит в аустенит, и при дальнейшем повышении температуры происходит постепенное растворение цементита в аустените. При пересечении линии SEв точке Р2 это растворение закончится. Для этой стали точка Р1 явится нижней критической точкой Ас1, а точка Ρ2 — верхней критической точкой, которая для заэвтектоидных сталей обозначается Асm.

Линия на диаграмме, обозначенная буквами GS, соответствует окончанию растворения феррита в аустените в доэвтектоидных сталях, а линия SE соответствует окончанию растворения цементита в аустените в заэвтектоидных сталях.

Следует указать, что заэвтектоидные стали при операциях термической обработки не нагревают выше линии Аcт(такая высокая температура нагрева приведет к перегреву и ухудшению свойств стали), а ограничиваются нагревом выше первой критической точки ACl, что полностью обеспечивает получение необходимых свойств.

Превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении

В сталях, нагретых до аустенитного состояния, при весьма медленном охлаждении произойдут обратные превращения, а именно:

а) в стали с содержанием углерода 0,83% аустенит превратится в перлит;

б) в стали с содержанием углерода 0,4% сначала из аустенита начнет выделяться феррит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит и

в) в стали с содержанием углерода 1,2% сначала из аустенита выделится цементит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит.

Даже при весьма медленном охлаждении температура распада аустенита не совпадает с теми температурами, при которых аустенит образовался при нагревании. Чем скорость охлаждения больше, тем больше становится гистерезис, т. е. разница между критическими температурами (точками) при нагревании и охлаждении.

Превращения, происходящие в стали при быстром охлаждении

Как указывалось выше, при быстром охлаждении не успевает произойти превращение аустенита в перлит с выделением избыточного феррита или цементита, а в зависимости от скорости охлаждения аустенит превращается в новые структуры – мартенсит, троостит или сорбит. Сталь с этими структурами отличается от сталей со структурами перлита и феррита повышенной твердостью, прочностью и уменьшенной пластичностью. Если углеродистую сталь, нагретую выше критических температур, охладить очень быстро, то аустенит превратится в мартенсит и это превращение начнется лишь при температуре около 200°. При несколько меньшей скорости охлаждения образуется структура троостит, а при еще меньшей — сорбит.

В производственных условиях при охлаждении углеродистой инструментальной стали в воде образуется мартенсит, при охлаждении в масле — троостит и при охлаждении в струе воздуха -сорбит. На рис. 6 показаны микроструктуры закаленной стали.

Рис. 6. Микроструктура закаленной стали:

а — игольчатый мартенсит;

б — сорбит.

В легированных сталях, благодаря присутствию специальных элементов, для образования мартенсита не требуется столь большой скорости охлаждения, как для углеродистых сталей,   и   мартенсит   образуется   при охлаждении в масле, а для быстрорежущих сталей — и при охлаждении на воздухе.

Троостит и сорбит можно получить не только в результате ускоренного охлаждения, нои путем нагрева закаленной стали, имеющей структуру мартенсита, до температуры ниже Aс1, т. е. путем отпуска стали. В этом случае троостит получается при нагреве стали до 400°, а сорбит—при нагреве до 650°. При нагреве до промежуточных температур получаются смешанные структуры: при нагреве от 250—400° — мартенсит и троостит и при нагреве от 400—650° — троостит и сорбит. В производственных условиях троостит и сорбит получают путем отпуска закаленной стали.  

Превращения, происходящие в стали при охлаждении в среде, имеющей температуру выше 200° (изотермическое превращение)

Если деталь, нагретую выше критической точки, поместить в среду, имеющую температуру от 700 до примерно 200°, и выдержать в ней до выравнивания температуры по всему сечению, то аустенит превратится в ту структуру, которая соответствует превращению при данной температуре.

О поведении стали при изотермической обработке, выборе температуры и времени выдержки судят по кривым изотермического превращения, построенным для разных марок стали.

Рис. 7.  Диаграмма изотермического превращения аустенита углеродистой стали.

На рис. 7 дан вид диаграммы изотермического превращения в стали. На горизонтальной оси отложено время начала и конца превращения, а на вертикальной— температура, при которой оно происходит. Линия А с соответствует переходу аустенита в перлит, а линия Мн — образованию мартенсита из аустенита. На кривой I начинаются, а на кривой II заканчиваются структурные превращения.

Если углеродистую инструментальную сталь, нагретую до 800°, поместить в масло, расплавленную соль или щелочь при температуре 250°, в ней образуется игольчатый троостит с высокой твердостью Rc=45—55. Если эту же сталь охладить в среде, имеющей температуру свыше 600°, в ней образуется перлит и такая сталь легко обрабатывается на станках. При охлаждении стали в среде с промежуточными температурами образуются структуры троостита и сорбита с соответствующей твердостью.

Изотермический отжиг нашел большое применение при термической обработке инструментальных сталей как процесс, резко уменьшающий время по сравнению с другими видами отжига.

Изотермическая закалка в инструментальном деле применяется редко из-за недостаточной для инструмента твердости, достигаемой при этом процессе.