Неизвестный танк часть 3 - 2

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Иначе будет обстоять дело, если сталь нагреть до температуры, при которой в ней произойдет обратная перегруппировка атомов и углерод вновь растворится в железе, а затем быстро охладить, например, опустив сталь в воду. При быстром охлаждении атомы углерода не успевают вовремя оставить занятые ими места между атомами железа, а пере­группировка атомов железа замедляется и происходит при гораздо бо­лее низкой температуре (100—300°).

Теперь, хотя атомы железа и образовали новые фигуры, в которых не остается места для атомов углерода, последние «застревают» в рас­творе. Получается, как говорят, пересыщенный твердый раствор угле­рода в феррите, называемый мартенситом.

«Завязшие» между атомами железа атомы углерода растягивают ку­бики железа, превращая их в призмы. Тем самым нормальное взаимо­действие между атомами нарушается. Сталь в мартенситном состоянии становится твердой, почти как цементит, хотя она и не содержит его, В то же время возможность более или менее свободного перемещения атомов друг относительно друга, обеопечивающая вязкость металла, на­рушается: сталь делается хрупкой. Напряжения внутри стали, возникаю­щие вследствие быстрого охлаждения и растяжки кубиков, могут вы­звать в ней трещины, причем не только во время охлаждения, но и спустя значительный промежуток времени.

Описанная выше термическая обработка стали — нагрев до завер­шения обратных превращений и быстрее охлаждение, после которого образуется мартенсит,— называется закалкой.

Структура закаленной стали (рис. 305, А) резко отличается от структуры медленно охлажденной стали.

Рис. 305. Микроструктура стали закаленной (А) и отпущенной при значительномнагреве (Б)

Видимые под микроскопом «иглы», образующие местами углы, представляют собой следы сдвига целых плоскостей, заселенных атомами. Такими сдвигами сопровождается перегруппировка атомов при низкой температуре, происходящая мгно венно, подобно взрыву.

Твердость и хрупкость закаленной стали возрастают с увеличением содержания в ней углерода.

Значительные внутренние напряжения в металле, вызванные закалкой, не (позволяют не только использовать его вкаких-либо изделиях, но и хранить длительное время. Сразу же после закалки сталь должна быть подвергнута отпуску, т. е. нагреву до температуры ниже той, при которой происходит обратное превращение, с последующим медлен­ным или быстрым (в зависимости от состава стали) охлаждением. При небольшом нагреве стали высота призм, образуемых атомами железа, уменьшается, так, что они приближаются к своей нормальной— кубической — форме; поэтому внутренние напряжения в стали уменьшаются, она становится менее хрупкой. В результате такого отпуска («низкий отпуск») твердость металла незначительно уменьшается, а вязкость несколько возрастает.

Если же нагреть сталь до более высокой температуры, то в ней произойдут более значительные изменения. Большая подвижность частиц металла, обеспеченная нагревом, позволит атомам углерода, выйти из кубиков железа, вкоторых они «застряли» при закалке. Освобождаю­щиеся атомы углерода создадут с железом химическое соединение — цементит. Но, в отличие от цементита, образующегося при охлаждении стали, цементит, получающийся при отпуске, находится встали не в виде пластин, а в виде очень мелких зернышек. Вначале (при температуре 300—400°) они настолько мелки, что неразличимы даже под микроскопом. Располагаясь между частицами железа, зернышки цементита играют роль клиньев, препятствующих перемещению атомов один относительно другого. С повышением температуры отпуска («(высокий отпуск») эти зернышки, передвигаясь между атомами железа, сливаются одно с дру­гим и становятся видимыми под микроскопом (рис. 305,Б). Получается смесь феррита с зернами цементита, называемая сорбитом отпуска. Число клиньев здесь уменьшается, что делает металл значительно более вязким. Вязкость сорбита будет много выше, чем у незакаленной стали, состоящей из феррита и перлита в которой цементит находится в виде пластин, создающих хрупкие преграды между пластинами железа. В то же время твердость и прочность металла, обеспечиваемые равномерным распределением мелких частиц цементита, будут выше, чем до закалки, хотя и ниже, чем после  низкого отпуска.

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

До сих пор мы говорили о явлениях, происходящих (в углеродистой стали, не содержащей, кроме железа и углерода, других элементов (если не считать небольшого количества так называемых постоянных примесей, о которых упоминалось выше).

Закалка углеродистой стали требует весьма быстрого охлаждения. В протяжном случае атомы углерода успеют выйти из раствора, и за­калка ее осуществится.

Но большая скорость охлаждения возможна только для изделий не­большой толщины. Действительно, изделие, погруженное, например в воду, сильно охлаждается с поверхности; в глубине же остывание идет медленнее, так как тепло прогретого металла не успевает отво­диться с достаточной скоростью; поэтому после закалки и отпуска круп­ной детали мы получим зернистое строение на поверхности и пластин­чатое в сердцевине. Вязкость детали из такой стали будет неудовле­творительной.

При весьма больших размерах изделия с его поверхности отводится меньше тепла, чем ооступает от сердцевины, и изделие не закаливается, вовсе. Но и при малых размерах изделия закалка углеродистой стали связана со многими трудностями. Большая скорость охлаждения (в воде) создает, кроме напряжений, вызываемых превращениями в металле, еще и так называемые термические напряжения, происходящие от быстрого и неравномерного сокращения размеров изделия при понижении темпе-ратуры. В результате призакалке часто происходит коробление изделий и даже появляются трещины. Чтобы избегнуть этого, надо иметь такую сталь, в которой выделение углерода из раствора и перегруппировка атомов замедлялись бы не только скоростью охлаждения, но и самим составом металла. Именно такими свойствами и обладает большинство легированных сталей. Легирование, т. е. добавление в сталь других элементов (например, хрома, никеля), позволяет получить одинако­вые свойства на большой глубине и даже по всему сечению детали, а также закаливать сталь не в воде, а в масле или на воздухе, что зна­чительно уменьшает напряжения при закалке.

Замедляющее действие может быть настолько сильным, что при большом содержании некоторых легирующих элементов, например мар­ганца или никеля, превращения в стали не происходят вовсе, и охла­жденное железо сохраняет прежнее расположение атомов (куб с центри­рованными гранями), а твердый раствор не распадается.

Кроме того, легирование может значительно улучшить свойства сталей, например повысить вязкость при той же твердости.

Преимуществами легированных сталей перед углеродистыми объяс­няется тот факт, что именно из таких сталей изготовляются ответствен­ные детали механизмов, а также

ЛИТАЯ И КАТАНАЯ СТАЛЬ

Рассматривая строение стали, мы указывали, что она состоит изотдельных зерен. Из рис. 304 видно, что эти зерна и по форме, и по раз­мерам мало отличаются одно от другого. Таким зернистым металл становится лишь после специальной термической обработки. Литая сталь имеет другое строение, что объясняется особенностями ее охла­ждению.

При кристаллизации стали, залитой в специальную металлическую форму (изложницу), металл начинает застывать, прежде всего, у сте­нок формы, где тепло отводится весьма быстро. Здесь образуется тон­кая корка из очень мелких кристаллов  (рис. 306).

Рис. 306.     Схема строения стального слитка

Дальнейшее охлаждение приводит к тому, что кристаллы растут пре­имущественно в одном направлении — под прямым углом к станкам из­ложницы. При этом растущие кристаллы образуют «ствол», от которого отходят «ветви», сначала большие, потом все меньшие. Получаются как бы скелеты кристаллов, которые затем «обрастают»  новыми кристал­лами металла, пока они не встретятся с соседними или не исчерпается жидкий сплав. Поэтому под коркой образуется зона так называемых столбчатых или шестоватых кристаллов, направленных от стенок к центру слитка, навстречу друг другу.

Следует заметить, что примеси, содержащиеся в металле, частично отгоняются растущими кристаллами к центру слитка, частично остаютея  между  столбчатыми  кристаллами,  располагаясь по  их  границам.

В центре слитка, где застывание происходит медленно, а тепло не отводится преимущественно в каком-либо определенном направлении, образуются ненаправленные (равноосные) зерна. Здесь же скопляется значительная часть примесей, засоряющих металл и делающих его рых­лым, менее плотным.

Таким образом, строение стального слитка получается неоднород­ным. Это можно видеть невооруженным глазом — в изломе или после травления разреза слитка. Строение, наблюдаемое простым глазом, в от­личие от микроскопического, называется макростроением или макро­структурой (макро — большой, микро — малый),

Такую же макроструктуру будет иметь и стальная отливка. Если отливка тонкостенная и охлаждение идет быстро, столбчатые кристаллы; растущие с противоположных сторон, могут встретиться один с другим, т. е. центральной зоны не будет.

Литая сталь неоднородна не только по строению, но и по со­ставу: центральные оси («стволы») столбчатых кристаллов более насыщены железом, края их обогащены углеродом и легирующими при­месями.

Специальная сложная и длительная термическая обработка, пред­шествующая закалке, уменьшает неоднородность строения и состава отливки. Если, однако, в ней сохранятся развитые столбчатые кристаллы, качество металла будет невысоким, так как при ударе, направлен­ном вдоль оси этих кристаллов, они сравнительно легко отделяются один от другого. Когда «шестов» нет, свойства металла отливки при воздействии на него в различных направлениях различаться почти не будут.

Рассмотрим теперь строение катаной стали.

При прокатке неоднородность, имевшаяся в слитке, устраняется в результате механического воздействия и высокой температуры. Но по­сторонние примеси, располагавшиеся между кристаллами, вытягиваются в направлении прокатки, разделяя металл на отдельные волокна, распо­ложенные вдоль листа и хорошо видимые без микроскопа после трав­ления.

Подобно тому как деревянную чурку можно легко расколоть, на­нося удар вдоль волокон, и очень трудно, если наносить удар поперек, так и катаный металл гораздо легче разрушить, когда усилие действует вдоль волокон. Особенно сильно будет различаться в зависимости от на­правления приложенной силы вязкость стали, оцениваемая по величине работы, необходимой для разрушения образца (рис. 307).

Рис. 307. Схема строения катаной стали

Следует заметить, что при изготовлении деталей машин и механиз мов из катаного (или кованого) материала всегда приходится учитывать направление волокон в металле. Это существенный недостаток катаной стали, однако в целом ее свойства все же лучше, чем литой. Давление при прокатке устраняет рыхлость, уплотняет металл, улучшает его; ка­таный металл более прочный и в то же время более вязкий, чем литой. Но ряд преимуществ литья, в частности литых танковых башен, позво­ляет получить (при том же весе) более надежно защищенный узел, чем сварной, сделанный из катаных листов.

• Назад
• Вперед