Критические точки сталей и чугунов: определение, значение для термической обработки

Введение в понятие критических точек. Критические точки представляют собой строго определенные температурные пороги, при которых в процессе нагрева или охлаждения происходит скачкообразное изменение фазового состояния и физико-химических свойств материала. Это явление характерно не только для металлических сплавов, таких как сталь и чугун, но и для многих других веществ. Классическим примером служит вода, у которой критическими точками являются температуры 0 °С (плавление/замерзание) и 100 °С (кипение/конденсация). Таким образом, при достижении этих температур начинаются или завершаются фазовые превращения, что коренным образом меняет структуру и поведение вещества.

Критические точки на диаграмме состояния железо-углерод. Положение критических точек для железоуглеродистых сплавов напрямую связано с линиями диаграммы состояния Fe—Fe₃C. Эта диаграмма систематизирует температурные и концентрационные зависимости фазовых равновесий. Например, линия AC указывает на начало затвердевания сплавов, а линия PSK (также известная как линия A₁) соответствует температуре 727 °С, при которой происходит перлитное превращение. Изучение данной диаграммы позволяет прогнозировать структуру и свойства сплава в зависимости от содержания углерода и термической истории.

Критические точки стали с 0,2% углерода (доэвтектоидная сталь). Рассмотрим фазовые превращения на примере доэвтектоидной стали, содержащей 0,2% углерода (сплав I на рис. 7.3). При охлаждении из жидкого состояния первая критическая точка (≈1500 °С) на линии AC знаменует начало кристаллизации с выделением кристаллов аустенита. Вторая точка на линии AE соответствует полному завершению затвердевания. При дальнейшем охлаждении на линии GS (точка 3) начинается распад аустенита с выделением феррита. Наконец, при температуре 727 °С (линия PSK, точка 4) оставшийся аустенит полностью превращается в перлит.

Рис. 7.3. Критические точки на диаграмме состояния Fe—Fe₃C в сплавах: I - 1, 2, 3, 4; II - 5, 6, 7, 8; III - 9, 10, 11; IV- 12, 13, 14; ж. р. — жидкий раствор; т. р. — твердый раствор; А — аустенит; П — перлит; Ц — цементит (Ц_I — первичный; Ц_II — вторичный); Ф — феррит

Критические точки стали с 1,3% углерода (заэвтектоидная сталь). Для заэвтектоидной стали с содержанием углерода 1,3% (сплав II) процесс имеет особенности. Критические точки 5 и 6 аналогичны точкам 1 и 2 у доэвтектоидной стали, фиксируя начало и конец кристаллизации аустенита. Однако на линии ES (точка 7) из пересыщенного аустенита начинает выделяться не феррит, а цементит (Fe₃C). При достижении температуры 727 °С (линия PSK, точка 8) оставшийся аустенит претерпевает перлитное превращение, аналогичное точке 4 у стали с 0,2% С. Дальнейшее охлаждение не влечет структурных изменений.

Критические точки в чугунах. Аналогичные превращения наблюдаются и в чугунах. Например, у доэвтектического чугуна с 3% углерода (сплав III) точка 9 на линии AC означает начало кристаллизации аустенита. В точке 10 на линии ECF затвердевание завершается образованием эвтектики – ледебурита. При охлаждении в интервале от 1147 °С до 727 °С из аустенита выделяется избыточный цементит. При температуре 727 °С (точка 11) аустенит превращается в перлит. Таким образом, линия PSK является общей нижней критической точкой для всех сталей и чугунов.

Верхние и нижние критические точки. Критические точки, характеризующие начало распада аустенита при охлаждении, называются верхними критическими точками (А₃ для доэвтектоидных и Аст для заэвтектоидных сталей). Они расположены на линиях GS и ES диаграммы. Температура полного распада аустенита с образованием перлита называется нижней критической точкой (А₁) и для всех сплавов лежит на линии PSK при 727 °С. Интервал между верхней и нижней точками называется критическим интервалом, в пределах которого и происходят структурные изменения.

Особенности превращений при нагреве. При нагреве железоуглеродистых сплавов фазовые превращения протекают в обратном порядке. В доэвтектоидных сталях при температуре Ас₁ (727 °С) перлит превращается в аустенит. В критическом интервале между Ас₁ и Ас₃ происходит постепенное растворение феррита в аустените. В точке Ас₃ (линия GS) сталь приобретает однородную аустенитную структуру. В заэвтектоидных сталях в интервале между Ас₁ и Аст в аустените растворяется избыточный цементит.

Обозначения критических точек. Критические точки принято обозначать специальными символами. Для доэвтектоидных сталей: Ас₁ и Ас₃ – при нагреве, Аr₁ и Аr₃ – при охлаждении. Для заэвтектоидных сталей: Ас₁ и Аст – при нагреве, Аr₁ и Аrст – при охлаждении. У эвтектоидной стали верхняя и нижняя точки совпадают и обозначаются Ас₁ и Аr₁. Для чугунов в твердом состоянии нижняя точка обозначается Ас₁ при нагреве и Аr₁ при охлаждении.

Факторы, влияющие на положение критических точек. Положение критических точек зависит не только от содержания углерода, но и от скорости охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем ниже температуры фазовых превращений. Скорость нагрева, за исключением экстремально высоких (например, при поверхностной закалке ТВЧ), практического влияния на положение точек не оказывает. Наличие легирующих элементов в специальных сталях и чугунах также существенно смещает критические температуры.

Практическое значение критических точек. Знание критических точек и связанных с ними фазовых превращений имеет фундаментальное значение для таких технологических процессов, как термическая обработка, литье и обработка давлением. Правильный выбор температурных режимов отжига, закалки и отпуска напрямую определяется положением этих точек. Это позволяет целенаправленно формировать требуемую структуру и, как следствие, получать заданные механические и эксплуатационные свойства железоуглеродистых сплавов.