Техника - молодёжи 1944-01, страница 12

Свободно растущие кристаллы в усадочной раковине слитка. ^

живали развитие пушечного дела в России, Молодой тогда еще, инженер Чернов, изучая в течение двух лет процесс} выплавки •тали и ковки орудийных стволов, обнаружил, что при температурах, соответствую-цих равным цэетам каления, сталь претерпевает определенные внутренние превращения. Получаемая нагревом до этих температур и охлажденная сталь имеет Соответствующие механические свойства. Чернов установил ряд точек превращения ггали, названных -после его именем. Только югревая изделие выше этих критических очек, можно получить нужный результат, ^ецепты тепловой обработки орудийных тволов, данные Черновым, устранили брак ри производстве пушек, а открытые им очки превращения стали произвели пере-орот в металлурга чес кой науке.

* Непонимание природы стал» было во _}ремена Чернова тесно связано с недоста-очным развитием смежных областей знания. И только тогда, когда физики нашли < усовершенствовали метод микроскопиче-ь<ого анализа, Гейн в 1898 году, исполь-р/я этот метод, сумел бесспорно доказать, го зерна стали являются) кристаллами, Чдобно кристаллам каменной солй, но толь-п непрозрачными и отличающимися по >?ду своих свойств. Однако, узнав, как покроены зерна стали, ученые стремились юникнуть еще глубже в ее внутреннее кроение, ибо понимали, ч*о различные фи-лческие свойства стали* получаемые при лзных режимах ее тепловой обработки, Чязаны с изменением! ее внутренней кристаллической структуры. Чтобы знать, как

>льзоваться теплом, надо было точно {<ать, что происходит внутри стали под _;о влиянием.

' В 1912 году английский физик Лауе на-^л, что_т пользуясь отражением рентгеновых лучей, проходящих через кристалл, ₂>жно установить, как расположены в нем \льчаи11Гие частички составляющего его ^Зщества — атомы.

^Пользуясь открытием Лауе а совершен-_{!вуя его метод, металловеды выяснили, кристалл железа состоит из ячеек ато-

»в.

* Каждая такая ячейка, называемая про-транственной атомной решеткой, состоит ц 9 атомов.

jЭти атомы удерживаются силами сцеп-ния в определенном правильном положе-образуя форму куба. Поэтому говорят, »J> железо кристаллизуется в кубической . :теме.

расстояние между атомами можно точно верить.

»3а единицу измерения обычно прини-

« __1

^тся А {ангстрем) — ЮОООЭОООСМ. J кристаллах железа это расстояние (а) ^р ребру куба составляет всего

* 2.86

Н 100 000000 ^е11-

бели бы на площадке длиной в 1 см

честить в ряд один за другим атомы

"леза на таком расстоянии, на каком они

Годятся в кристаллической решетке, то

},(шлось бы уложить более 33 миллионов

умов!

П ри остывали» жидкого железа или стали, отлитой в формы, образуются маленькие ячейки-зародыши, которые постепенно растут, кристаллизуя, наращивая на себя прилегающие слои еще жидкого сплава. Возникшие по всему объему жидкого металла зародыши наконец смыкаются, образуя кристаллические зерна металла.

Если бы росту зерна не мешали такие же соседи, то он принял бы геометрически правильную кристаллическую форму, ограниченную плоскостями.

Такой кристалл уникальной величины удалось получить в частности еще Д. К. Чернову в пустотах большого слитка стали. «Кристалл Чернова», похожий на ветвистую елку, имел длину 39 см и весил 3,45 кг.

Однако в реальных условиях зерна при росте, набирая жидкость, давят друг на друга и смыкаются, не имея возможности принять правильную внешнюю форму Вся жидкость успевает израсходоваться, слиток затвердевает. Поэтому структура стали и представляет собой скопление тесно спаянных округлых зерен неправильной формы. КгждоеГ такое зерно, в свою очередь, состоит из множества ячеек кристаллической решетки металла.

Примеси в стали, особенно углерод, сильно меняют законы ее плавления и затвердевания, в частности понижают точку плавленжя. Знание законов плавления и затвердевания сплавов необходимо всякому управляющему производством стали.

Затвердевший слиток стали, вынутый из изложницы, поступает в ковку или прокатку. При высоких температурах горячей механической обработки раскаленный добела металл пластичен. Слитку на прокатном станке придается профиль круглой проволоки, стальной полосы иди тавра, в зависимости от заказа.

Первоначальная структура кристаллов слитка под влиянием .высокой температуры и механического воздействия меняется, зерно дробится. С такой деформированной сталью и имеет уже обычно дело металлург при термической обработке деталей. Какова же задача термической обработки, какие дальнейшие превращения вызывает она в кристаллах стали? Как мы уже убедились, незакаленная сталь дает недостаточную для ответственных деталей современных машин прочность; инструмент не обладает необходимой ему высокой твердостью. Чтобы получить от стали необходимые технические свойства, ее следует термически обработать, то есть вызвать такие внутренние превращения кристаллической структуры стали, которые придадут ее кристаллам твердость, вязкость, способность не размягчаться при нагрере? и другие свойства.

Какие же это внутренние превращения, до каких температур надо нагревать сталь и как ее} охлаждать, чтобы эти превращения вызвать, — на все эти вопросы дали ответ работы целых поколений металлургов. В частности, исследования Осмонда, пользовавшегося для измерения температур Термопарой Лешателье, подтвердили су-

Микроструктура отожженной стали — перлит.

ществоваиие открытых Черновым критических точек. Было найдено, что железо и сталь обладают свойством при нагреве и охлаждении, при температурах, соответствующим точкам Чернова, менять свою кристаллическую форму. Эти так называемые аллотропические превращения резко меняют механические и другие свойства стали.

Мы уже говорили о том, что атомы располагаются в криста'лле¹ стали в определенное порядке, образуя форму куба.

Нагретая при закалке до высоких температур, сталь образует новую кристаллическую решетку. Атомы 8 кубической ячейке меняют свое положение. Внешне это легко обнаружить. Раскаленная сталь, изменив свою решетку при нагреве, стано-шггея немагнитной. Структура, соответствующая этому состоянию стали и наблюдаемая в микроскоп, называется аустени-том (по фамилии открывшего ее ученого Роберта Аустена).

На этой-то особенности стали — перестраивать свою кристаллическую решетку при нагреве — и основана возможность закаливать сталь и менять ее свойства.

Если раскаленную сталь медленно охладить, образуется мягкая перелитовая микроструктура, получаемая • производстве при отжиге стали. Сталь становится магнитной. Если же аустешгг, нагретый до высокой температуры сплава, быстро закалить в воде или масле, образуется твердый, но хрупкий мартенсит.

При закалке атомы железа стремятся принять прежнее положение, существовавшее до нагрева, но влияние углерода и быстрое охлаждение не дают им времени перестроиться. Атомы как бы застывают На своих местах. В этот момент сталь стала твердой, она закалилась.

Твердый мартенсит позволяет закаленному стальному резцу резать отожженную мягкую сталь. Но сталь с мартенситовой структурой очень хрупка. Иногда достаточно легкого удара, чтобь* такая сталь рассыпалась в куски.

М икроструктура закаленной стали. Иглы мартенсита в аустените.

Чтобы устранить хрупкость и сделать сталь достаточно вязкой^ ее подвергают вторичному нагреву на более низкие, чем при закалке, температуры.

Такая операция называется отпуском.

Нагревая (отпуская) сталь с мартенситовой структурой, мы в зависимости от температуры нагрева (отнуска) получаем любые возможные для стали данного химического состава механические свойства. Чем выше температура) отпуска, тем ниже твердость и крепость, но выше пластичность стала. Чем больше сталь содержит углерода и друпюс примесей, тем выше после закалки ее прочность.

И вот в этом* месте происходит интересное явление: прочность приходит в противоречие с вязкостью.

Действительно, если от стали требуется при сохране*пш1 (высокой прочности получить и болыпую вязкость, как быть? Ведь* повышая температуру отпуска к увеличи-