Диаграмма железо-углерод и термообработка стали
Как читать диаграмму состояния Fe-Fe₃C, чем отличаются феррит, аустенит, перлит и цементит, режимы отжига, закалки и отпуска.
Диаграмма Fe-Fe₃C показывает, какие структуры получаются в стали и чугуне при медленном охлаждении. Из неё выводят все режимы термообработки, поэтому её просят объяснить почти на каждом зачёте по материаловедению.
Фазы и структурные составляющие
| Название | Что это | Углерода | Свойства |
|---|---|---|---|
| Феррит | Твёрдый раствор углерода в α-железе (ОЦК) | до 0,02% | Мягкий, пластичный, HB ≈ 80 |
| Аустенит | Твёрдый раствор углерода в γ-железе (ГЦК) | до 2,14% | Пластичный, немагнитный, существует выше 727 °C |
| Цементит | Карбид железа Fe₃C | 6,67% | Очень твёрдый и хрупкий, HB ≈ 800 |
| Перлит | Механическая смесь феррита и цементита | 0,8% | Прочный, HB ≈ 200, пластинчатое строение |
| Ледебурит | Смесь аустенита и цементита | 4,3% | Твёрдый и хрупкий, есть только в чугунах |
Ключевые точки диаграммы
- 727 °C — линия PSK, эвтектоидное превращение: аустенит распадается на перлит.
- 0,8% углерода — эвтектоидная сталь, структура целиком перлит.
- 1147 °C и 4,3% углерода — эвтектическое превращение с образованием ледебурита.
- 2,14% углерода — граница между сталями и чугунами.
- 1539 °C — температура плавления чистого железа.
Классификация по углероду
| Содержание C | Название | Структура после медленного охлаждения |
|---|---|---|
| до 0,8% | Доэвтектоидная сталь | Феррит + перлит |
| 0,8% | Эвтектоидная сталь | Перлит |
| 0,8-2,14% | Заэвтектоидная сталь | Перлит + вторичный цементит |
| 2,14-4,3% | Доэвтектический чугун | Перлит + ледебурит + цементит |
| 4,3% | Эвтектический чугун | Ледебурит |
Виды термообработки
| Операция | Нагрев | Охлаждение | Результат |
|---|---|---|---|
| Отжиг | выше Ac₃ на 30-50 °C | с печью, очень медленно | Снятие напряжений, мягкая равновесная структура |
| Нормализация | выше Ac₃ на 30-50 °C | на воздухе | Мелкое зерно, прочнее отожжённой |
| Закалка | выше Ac₃ (Ac₁ для заэвтектоидных) | в воде или масле | Мартенсит: максимальная твёрдость, высокая хрупкость |
| Отпуск низкий | 150-250 °C | на воздухе | Снимает напряжения, твёрдость сохраняется — инструмент |
| Отпуск средний | 350-450 °C | на воздухе | Троостит: высокий предел упругости — пружины |
| Отпуск высокий | 500-650 °C | на воздухе | Сорбит: лучшее сочетание прочности и вязкости — валы, шестерни |
Закалка с высоким отпуском называется улучшением — это стандартная обработка для нагруженных деталей машин из сталей 40, 45, 40Х.
Мартенсит
При быстром охлаждении углерод не успевает выделиться из решётки, и аустенит превращается в пересыщенный твёрдый раствор с искажённой тетрагональной решёткой. Отсюда высокая твёрдость (до HRC 65) и внутренние напряжения, из-за которых закалённая деталь без отпуска может треснуть при ударе.
Как читать марку стали
- Сталь 45 — конструкционная углеродистая, 0,45% углерода.
- У8А — инструментальная углеродистая, 0,8% углерода, высококачественная (А).
- 40Х — 0,4% углерода, легирована хромом до 1,5%.
- 12Х18Н10Т — 0,12% C, 18% хрома, 10% никеля, стабилизирована титаном: нержавеющая.
- Цифра после буквы — процент легирующего элемента; её отсутствие означает около 1%.
Частые вопросы
Зачем нужен отпуск, если закалка даёт нужную твёрдость?
Закалённая сталь имеет огромные внутренние напряжения и хрупкость. Отпуск их снимает, теряя часть твёрдости ради работоспособности детали.
Чем отличается нормализация от отжига?
Скоростью охлаждения: на воздухе вместо печи. Зерно получается мельче, прочность выше, а времени и энергии тратится меньше.