диаграмма состояния системы железо – углерод
advertisement
Черней О.Т. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ Учебно-методическое пособие Нижний Новгород 2008 1 Черней О.Т. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов: Учебно-методическое пособие.- Н.Новгород: ВГИПУ.-27с. Рецензенты: Рукосуев И.В., к.т.н., технического университета доцент Нижегородского государственного Кутепова Л.И. к.п.н., доцент Волжского государственного инженернопедагогического университета В учебно-методическом пособии разбираются диаграммы состояния систем железо – цементит и железо – графит. Рассмотрены процессы равновесных фазовых превращений в сплавах при охлаждении, а также рассмотрены вопросы образования структур. Пособие предназначено для студентов обучающихся по специальности 050501.65 Профессиональное обучение (автомобили и автомобильное хозяйство), (технология и технологический менеджмент в сварочном производстве), 050501 Профессиональное обучение (по отраслям) © ЧернейО.Т., 2008 © ВГИПУ, 2008 2 Содержание Введение…………………………………………………………………..4 Компоненты и фазы в системе железо – углерод………………………5 Превращения в сплавах системы железо-цементит……………………9 Характеристика точек и линий диаграммы состояния «железо—цементит» ….………………………………………………10 Первичная кристаллизация сталей……………………………………..18 Вторичная кристаллизация сталей…………………………………….20 Превращения чугунов…………………………………………………...24 Превращения в сплавах железо-графит………………………………...26 3 Введение Диаграмма состояния системы железо – углерод является одной из важнейших диаграмм двойных систем, потому что наиболее распространенные в технике сплавы – стали и чугуны – представляют собой сплавы железа с углеродом. В состав сталей и чугунов кроме углерода входят кремний, марганец и другие элементы, но углерод является основным компонентом, оказывающим влияние на структуру и свойства железных сплавов. Диаграмма состояния «железо — углерод» охватывает сплавы, содержащие углерод от 0 до 6,67% (сталь и чугун). При содержании 6,67% углерода образуется химическое соединение железа с углеродом Fe3C — карбид железа, который называется цементитом. Часть диаграммы состояния «железо — углерод» (до 6,67% С), обведенную сплошными линиями, называют диаграммой состояния «железо — цементит». Она охватывает все сплавы, имеющие большое практическое применение. Диаграмма состояния, обведенная штриховыми линиями, называется диаграммой состояния «железо — графит». Диаграмма состояния «железо — углерод» является сложной. В сплавах железа с углеродом происходят превращения не только из жидкого состояния, но также и в твердом состоянии, вследствие аллотропического и эвтектоидного превращении, а также ограниченной растворимости углерода в железе и железе . 4 1. Компоненты и фазы в системе железо – углерод Железо — металл переходной группы серебристо-серого цвета, очень пластичный, с удельным весом 7,86 г/см3, температурой плавления 1539° С. Чистейшее железо содержит примесей до 0,01%. На практике применяется техническое железо, содержащее 0,1% примесей таких, как С, Mn, Si, S, Р, О2, Н2, N2 и др. Железо имеет несколько аллотропических модификаций α, γ и δ (Аллотропией, или полиморфизмом, называется способность некоторых веществ при одном и том же химическом составе изменять тип кристаллической решетки, а значит, иметь различные свойства) Модификация α существует при температурах ниже 911 °С. Кристаллическая решетка α-железа – объемно центрированный куб (ОЦК) с периодом решетки 0,28606 нм. Плотность α-железа 7,68 Мг/м3 . Вторая модификация γ-железо (Feγ) существует при температуре 911 1392 °С. Кристаллическая решетка - гранецентрированная кубическая (ГЦК) с периодом 0,3645 нм. В интервале температур 1392 - 1539 °С существует δжелезо с кристаллической решеткой объемно центрированного куба (ОЦК) с периодом решетки 0,293 нм. Высокотемпературная модификация (именуемая δ-Fe) не представляет собой новой аллотропической формы. При температуре ниже 768oС железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа, равная 768oС, обозначается А2. Это фазовый переход второго рода. Температуру аллотропического (полиморфного) и магнитного превращения железа принято называть критическими точками и обозначать их буквой А с соответствующими индексами 2, 3, 4, указывающими на характер превращения. Чтобы отличить превращения, протекающие в железе и в железоуглеродистых сплавах при нагревании, от превращений при охлаждении принято к обозначению критических точек добавлять: при нагревании индекс с, при охлаждении индекс r. 5 Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ по Бринеллю) и прочностью, но высокими характеристиками пластичности. Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо со многими элементами образует твердые растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения. Углерод — относится к неметаллам, удельный вес 2,5 г/см3, атомный радиус 0,77 А; температура плавления 3500° С. Углерод имеет три аллотропические модификации: алмаза, графита и угля. В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом, в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах). Кристаллическая решетка графита — гексагональная, неплотноупакованная. Графит не прочен, не пластичен. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Аллотропических превращений не испытывает. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов, например азотом; атомы железа – металлами, например марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом. Цементит – соединение неустойчивое (метастабильное) и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов. 6 В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, твердый раствор углерода в α–Fe – феррит (в случае δ-Fe – высокотемпературный феррит Фδ), твердый раствор углерода в γ-Fe аустенит, химическое соединение - цементит. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы. Феррит (Ф, )– твердый раствор внедрения углерода в железо. Феррит имеет переменную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре, максимальную – 0,02 % при температуре 727oС (точка P рис.1). Углерод располагается в дефектах решетки. При температуре выше 1392oС существует высокотемпературный феррит Фδ с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499oС (точка J рис.1). Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок и пластичен, магнитен до 768o С. Аустенит (А, ) – твердый раствор внедрения углерода в γ - железо. Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен, парамагнитен. Структура аустенита состоит из одной фазы — твердого раствора переменного состава. Растворимость углерода в железе зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше растворимость. Максимальная растворимость углерода в железе у равна 2,0% при температуре 1130° С; минимальная растворимость равна 0,8% при температуре 723° С. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. Цементит — характеристика дана выше. В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы – цементит первичный, цементит вторичный, 7 цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Перлит П — эвтектоидная механическая смесь, состоящая из двух фаз: феррита и цементита. Образуется перлит при распаде аустенита определенного состава (0,8% С) при температуре 723° С. Содержание углерода в перлите для всех железоуглеродистых сплавов всегда постоянно и равно 0,8%. Эвтектоид этот назван перлитом потому, что после травления стали, содержащей 0,8% С, ее поверхность имеет перламутровый блеск. Ледебурит Л — эвтектическая смесь, образующаяся из жидкой фазы определенного состава (4,3% С). При температуре 1130 и до 723° С ледебурит состоит из двух фаз — аустенита и цементита; ниже 723° С ледебурит состоит из двух структур — перлита и цементита, т. е. также из двух фаз, но только уже из феррита и цементита. Содержание углерода в ледебурите всегда постоянно и равно 4,3%. 8 2. Превращения в сплавах системы железо-цементит Наличие двух высокоуглеродистых фаз (графита и цементита) приводит к появлению двух диаграмм состояния: метастабильной - железоцементит и стабильной - железо-графит. Свободная энергия цементита всегда больше, чем свободная энергия графита. Диаграмма состояния железо-цементит приведена на рис. 1. рис. 1 Диаграмма состояния железо-цементит Кристаллические структуры цементита и аустенита близки, тогда как кристаллические структуры аустенита и графита существенно различны. По составу аустенит и цементит ближе друг к другу и составу жидкой фазы, чем аустенит и графит (аустенит содержит до 2,14 %С, цементит - 6,67 %С, жидкая фаза - от 2,14 до 6,67 %С, графит – 100 %C. Поэтому образование цементита из жидкости или из аустенита происходит легче, работа образования зародыша, как и необходимые диффузионные изменения, меньше в случае кристаллизации цементита, чем при кристаллизации графита, несмотря на меньший выигрыш свободной энергии. 9 3.Характеристика точек и линий диаграммы состояния «железо—цементит» Каждая точка диаграммы состояния «железо — цементит» характеризует строго определенный состав сплава при соответствующей температуре. А - точка, соответствующая плавлению - кристаллизации чистого железа. Температура, отвечающая этой точке 1 539 °С. Число степеней свободы в этой точке равно нулю. На термических кривых для чистого железа температуре точки А соответствуют горизонтальные площадки, которые возникают за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации. Переход из твердого в жидкое состояние, соответствующий точке А, сопровождается резким увеличением объема (около 6 %), связанным с нарушением дальнего порядка в кристаллическом строении -железа. При кристаллизации чистого железа в этой точке наблюдаются обратные явления. В - точка предельного насыщения железом жидкого раствора, находящегося в равновесии одновременно с кристаллами - и -твердых растворов при перитектической температуре. Точке В соответствует содержание углерода в жидкости 0,51 %, температура 1 496 °С. С - эвтектическая точка в метастабильной системе Fe-Fe3C. Температура 1147 °С, концентрация углерода, соответствующая точке С, - 4,3 %, это содержание углерода в жидком растворе, находящемся в равновесии одновременно с аустенитом и цементитом при эвтектическом превращении. Число степеней свободы, соответствующее этой точке, равно нулю. На термических кривых охлаждения и нагрева точке С соответствуют горизонтальные площадки, аналогичные площадкам плавления - кристаллизации чистого железа. С' - эвтектическая точка в стабильной системе железо-графит. Температура, соответствующая точке, 1 153 °С, концентрация углерода 4,25 %, это содержание углерода в жидкости, находящейся в равновесии с аустенитом и графитом при эвтектической кристаллизации. Как и в точке 10 С, в данной точке система нонвариантна. D - согласно принятым обозначениям, точку D относят к температуре плавления цементита. Однако известные данные свидетельствуют о том, что цементит представляет собой термодинамически неустойчивую фазу, в связи с чем перед плавлением он разлагается на железо и графит. При этом положение точки D на диаграмме оказывается неопределенным. D' - точка, соответствующая температуре плавления графита (около 4 000 °С). Е - точка, отвечающая предельному содержанию углерода в аустените, находящемся в равновесии с цементитом и жидкостью при эвтектической температуре (1147 °С) в метастабилъной системе. Значение содержания углерода - 2,14 %. Точка Е на концентрационной оси диаграммы является своеобразной границей между сталями и чугунами. При содержании углерода в сплавах меньше 2,14 % в их структуре отсутствует ледебурит; при содержании углерода более 2,14 % - присутствует. Он является одной из важнейших структурных составляющих чугунов. Е' - точка, отвечающая предельному содержанию углерода в ау-стените, находящемся в равновесии с графитом и жидким раствором при эвтектической температуре (1153 °С) в стабильной системе. Значение содержания углерода, соответствующего этой точке, равно 2,03 %. F - точка предельного насыщения цементита железом при эвтектической температуре (1147 °С). Значение концентрации углерода, соответствующее точке F, практически близко к 6,67 %, хотя последние работы показывают наличие некоторой весьма малой растворимости железа в цементите. F' - точка предельного насыщения графита железом при эвтектической температуре (1153 °С). G - точка полиморфного превращения в чистом железе . Температура превращения 911 °С. Число степеней свободы системы в этой точке равно нулю. Перестройка кристаллической решетки сопровождается уменьшением объема, обратный переход увеличивает 11 удельный объем образца, что связано с различной плотностью упаковки атомов в гранецентрированной решетке -железа и объемно-центрированной решетке железа. Точка G соответствует для чистого железа критической точке А3. Н - точка предельного насыщения углеродом -феррита при температуре перитектического превращения. Температура, соответствующая этой точке, 1496°С, концентрация углерода 0,10 %. Это содержание углерода соответствует концентрации -феррита, находящегося в равновесии с аустенитом и жидкостью одновременно при температуре перитектического превращения. J - перитектическая точка, точка трехфазного равновесия, соответствующая равновесной концентрации аустенита, образующегося по перитектичеокой реакции в изотермических условиях из жидкости состава точки В и -феррита состава точки Н. Температура, соответствующая точке I, равна 1496 °С, концентрация углерода 0,16 %. К - точка предельного насыщения железом цементита при эвтектоидной температуре 727 °С. Точке практически соответствует концентрация 6,67 % углерода. К' - точка предельного насыщения железом графита при эвтектоидной температуре (738 °С). М - точка Кюри чистого железа. Температура этой точки 770 °С. Точка соответствует потере ферромагнетизма -железа при нагреве и восстановлению его ферромагнетизма при охлаждении. N - точка полиморфного превращения в чистом железе. Температура превращения 1392 °С. Точка N для чистого железа соответствует критической точке А4. В этой точке система нонвариантна. О - точка наибольшей растворимости углерода в аустените, находящемся в контакте с немагнитным ферритом при температуре 770 °С. Содержание углерода в аустените в этой точке равно примерно 0,5 %. Р - точка предельного содержания углерода в феррите, находящемся в равновесии с цементитом и аустенитом при эвтектоидной температуре (727 12 °С). Значение содержания углерода для этой точки 0,02 %. Точка Р на концентрационной оси диаграммы отделяет техническое железо от стали. В сталях (содержание углерода выше 0,02 %) в качестве структурной составляющей содержится перлит. В техническом железе (содержание углерода не более 0,02 %) перлит отсутствует. S - эвтектоидная точка в метастабильной системе. Температура, соответствующая этой точке, 727 °С, содержание углерода 0,8 %. Это содержание углерода в аустените, находящемся в равновесии с ферритом и цементитом при эвтектоидной реакции. Число степеней свободы, как и для других трехфазных реакций в данной системе, равно нулю. S' - эвтектоидная точка в стабильной системе железо-графит. Температура, отвечающая данной точке, 738 °С, содержание углерода в аустените, соответствующее точке S', равно 0,69 %. Это содержание углерода в аустените, находящемся в состоянии равновесия с ферритом и графитом в момент развития прямого или обратного эвтектоидного превращения. Система в точке S' нонвариантна. Q - точка предельной растворимости углерода в феррите (значение 0,006 % при комнатной температуре). Увеличение концентрации углерода в феррите до значений более 0,006 % приводит к изменению фазового состава и в первую очередь к появлению в структуре третичного феррита. Основные линии диаграммы железо-цементит ABCD - линия ликвидус в метастабильной системе, обозначающая начало процесса кристаллизации жидкости в метастабильной системе в равновесных условиях при охлаждении. Эта же линия означает окончание процесса плавления при нагреве сплавов в системе. Выше этой линии все железоуглеродистые сплавы находятся в жидком состоянии, представляющем собой жидкий раствор (жидкую фазу). Жидкость (жидкий раствор углерода в железе), существующая выше линии ликвидус, обозначаемая L. ABCD' - то же, в стабильной системе. AHJECF - линия солидус в метастабильной системе, обозначающая 13 окончание процесса кристаллизация жидкости в равновесных условиях при охлаждении, и начало плавления сплавов при нагреве. AHJE'C'F' - то же в стабильной системе. АВ - отрезок линии ликвидус - граница области L + . ВС - отрезок линии ликвидус - граница области L + . CD - отрезок линии ликвидус - граница области L + Fe3C. CD' - отрезок линии ликвидус - граница области L + Г. АН - отрезок линии солидус - граница области L + . HJB - линия перитектического превращения (1 496 °С). HJ - отрезок линии перитектического превращения и одновременно отрезок линии солидус - граница между фазовыми областями L + и + . JB - отрезок линии перитектического превращения - граница между базовыми областями L + и L + . JE - отрезок линии солидус - граница области L + в метастабильной системе. JE'- то же в стабильной системе. ECF - линия эвтектического превращения - отрезок линии солидус в метастабильной системе (1 147 °С). E'C'F'- то же в стабильной системе (1 153 °С). ЕС - отрезок линии эвтектического превращения и линии солидус в метастабильной системе - граница фазовых областей L + и + Fe3C. Е'С - отрезок линии эвтектического превращения и линии солидус в стабильной системе - граница фазовых областей L + и + Г. CF - отрезок линии эвтектического превращения и линии солидус в метастабильной системе - граница фазовых областей L + Fe3C и + Fe3C. C'F' - отрезок линии эвтектического превращения и линии солидус в стабильной системе - граница фазовых областей L + Г и + Г. NH - верхняя граница фазовых областей и + , верхняя температура полиморфного превращения твердых растворов при охлаждении и 14 при нагреве. NJ - нижняя температура полиморфного превращения твердых растворов при охлаждении и при нагреве - граница фазовых областей и + . NI является критической точкой в сталях и техническом железе. Ее обозначение А4 (А с 4, А r 4). GS - верхняя температура полиморфного превращения твердых растворов при охлаждении и при нагреве - граница фазовых областей и + . GS - критическая точка стали. Ее обозначение А3(Ас3, Аr3). GO - отрезок границы фазовых областей и + , соответствующий выделению при охлаждении неферромагнитного феррита. OS - отрезок границы фазовых областей и + , соответствующий выделению при охлаждении ферромагнитного феррита. GP - нижняя температура полиморфного превращения твердых растворов при охлаждении и при нагреве - граница фазовых областей и + . МО - линия магнитного превращения феррита в стали (точка Кюри). Температура - 770 °С. МО называют также второй критической точкой стали А2, однако при этом превращении не происходит фазовых переходов, связанных с перестройкой кристаллической решетки. SE - линия переменной ограниченной растворимости углерода в аустените в метастабильной системе ~ граница фазовых областей и + Fe3C. SE - критическая точка стали Аcm, характеризующая развитие частичной фазовой перекристаллизации в заэвтектоидных сталях и чугунах, заключающейся в выделении вторичного цементита из аустенита при охлаждении и растворении его в аустените при нагреве. S'E' - линия переменной ограниченной растворимости углерода в аустените в стабильной системе - граница фазовых областей и + Г. Как и в метастабильной системе, линия переменной ограниченной рас15 творимости характеризует частичное фазовое превращение, заключающееся в выделении-растворении вторичного графита в аустените. PSK - линия эвтектоидного превращения в метастабильной системе (727°С). PSK является критической точкой A1 (Ас1 Аг1) в сталях чугунах характеризующей развитие важнейших фазовых превращений в этих сплавах: аустенитного - при нагреве и перлитного - при охлаждении. P'S'K' -то же в стабильной системе (738 °С). PS- отрезок линии эвтектоидного превращения, характеризующий развитие этого превращения в доэвтектоидных сталях - граница фазовых областей + , + Fe3C SK- отрезок линии эвтектоидного превращения в метастабильной системе, характеризующий развитие этого превращения в заэвтектоидных сталях и чугунах - граница фазовых областей + Fe3C и + Fe3C. S'K' - то же в стабильной системе - граница фазовых областей + Г и + Г. PQ - линия переменной ограниченной растворимости углерода в феррите - граница фазовых областей и + Fe3C. Линия PQ характеризует частичную фазовую перекристаллизацию, заключающуюся в выделении третичного цементита го феррита при охлаждении и растворении его в феррите при нагреве. Это превращение имеет большое значение для технического железа и малоуглеродистых сталей (до 0,2 % углерода). Рассмотрим превращения в сплавах системы Fe – Fe3С происходящие при затвердевании жидкой фазы, и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус и солидус. На участке АВ начинается кристаллизация феррита высокотемпературного, на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного. Система находится в твердом соответствующих линии солидус. 16 состоянии, ниже температур Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа из одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите: при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите, соответственно. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Различают: первичный цементит ЦI выделяется при кристаллизации из жидкой фазы у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 4,3% (ниже линии DC, рис. 1), в виде крупных пластинчатых кристаллов. вторичный цементит ЦII выделяется при вторичной кристаллизации из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,8% в интервале температур от 1130 до 723° С,. третичный цементит ЦIII— третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен, у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,01% в интервале температур от 723 до 0° С. Если в железоуглеродистом сплаве находятся одновременно несколько разновидностей цементита, так, например, в сплавах, содержащих углерода более 4,3%, при нормальной температуре одновременно присутствует Ц I, ЦII, ЦIII, а также цементиты, входящие в состав ледебурита и перлита, — все они являются одной фазой, т. е. химическим соединением, так как имеют один и тот же состав, строение и свойства. Три горизонтальные линии на диаграмме (HJB, ECF и PSK) указывают на протекание трех превращений при постоянной температуре. При 14990 С (линия HJB) протекает перетектическая реакция : ЖB + ФH АJ. В результате перетектической реакции образуется аустенит. Реакция эта наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1-0,5%. При 11470С (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция ЖСЛ 17 (АЕ+Fe3C). В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь. Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом. Реакция эта происходит у всех сплавов системы, содержащих углерода более 2,14%. При 727 0С (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция АS ФР + Fe3C. 18 3. Первичная кристаллизация сталей Кристаллизация чистого железа протекает изотермически при температуре 1539 °.С, а сплавов железа с углеродом - в интервале температур. Рассмотрим вначале верхний участок диаграммы состояния (рис. 2), где происходит перитектическое превращение. Рис. 2 Левый верхний угол диаграммы состояния Fе – Fе 3С – первичная кристаллизация сталей Сплав I, содержащий менее 0,1%С, не испытывает перитектического превращения. Он кристаллизуется в интервале температур точек 1-2. При этом составы жидкой фазы и феррита изменяются по обычным законам кристаллизации твердых растворов. Образуется зернистая структура, состоящая из кристаллов феррита. В интервале температур точек 3-4 происходит перекристаллизация феррита в аустенит, вызванная полиморфизмом железа. Сплав III, содержащий 0,16 %С при кристаллизации из жидкой фазы в интервале температур точек 8-9, образует кристаллы феррита, которые при температуре точки 9 имеют состав точки H, а оставшаяся жидкость - состав точки В. При температуре 1499 °С протекает перитектическая реакция. Кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой, и образуются кристаллы аустенита состава точки J. Согласно правилу фаз перитектический процесс идет изотермически и при постоянной концентрации фаз, так как число степеней свободы при этом процессе равно нулю. Сплавы типа II имеют содержание углерода от 0,1 до 0,16%. В 19 интервале температур точек 5-6 выделяется феррит. При температуре точки 6 в сплаве II содержатся избытки феррита. В результате перитектический процесс заканчивается образованием новой фазы аустенита при сохранении некоторого количества феррита: ФН+ЖВ= AJ+ФН(ост.) При дальнейшем охлаждении этот остаток феррита перекристаллизуется в аустенит с тем содержанием углерода, которое имеет сплав. Сплавы типа IV содержат углерод от 0,16 до 0,51%. При температуре точки 11 они имеют избыток жидкой фазы, по сравнению со сплавом III. В результате перитектический процесс заканчивается образованием аустенита при сохранении некоторого количества жидкой фазы: Фн + ЖВ = АJ + ЖВ(ост.) При дальнейшем охлаждении в интервале температур точек 11-12 оставшаяся жидкая фаза затвердевает, образуя аустенит. Концентрация углерода в аустените ниже температуры точки 11 изменяется по линии JE. Таким образом, все рассмотренные сплавы, лежащие ниже линий NJ и JE, находятся в твердом состоянии и имеют аустенитную структуру. 20 4. Вторичная кристаллизация сталей Рассмотрим дальнейшем теперь охлаждении превращения, в твердом происходящие в сталях состоянии, е. т. при вторичную кристаллизацию (рис. 3а). Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии, поэтому рассмотрим более подробно превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации (ниже линии NJE, рис.1). Рис. 3(а.б) Часть диаграммы состояния Fe — Fe С для сплавов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное превращение Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02% С (точка Р диаграммы), называют техническим железом. Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02…2,14 % углерода. Если углерода содержится меньше 0,0002% (сплав I на рис.2а), то при охлаждении от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до комнатной температуры (20 - 25°С). При содержании углерода в железе больше 0,0002% (сплав II на рис 2.а) после образования феррита, начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (линия PQ). Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных 21 зерен. Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность. При 20 - 25°С третичный цементит имеется во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,0002%С. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание мало по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых превращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02% о третичном цементите не упоминают. Сплав II (рис. 4б ) с содержанием 0,8%С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSK происходит нонвариантное эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования (рис.4 б,в). . Рис. 4 - Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь; б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь Сплав I (см. рис. 3б) с содержанием углерода менее 0,8% называют доэвтектоидной сталью. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1 - 2. При температуре точки b фазовый состав сплава Ас+ Фа. Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков ab и be. В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную 22 структуру стали (рис.4а). Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Сплав III (рис. 3б) — заэвтектоидная сталь (> 0,8%С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 - 4 предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (ЦII). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4 аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8% и на линии PSK испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой (рис. 4г). Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%. 23 5.Превращения чугунов В сплавах с содержанием углерода более 2,14% при кристаллизации происходит эвтектическое превращение. Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами. Сплав II (рис.6) — эвтектический белый чугун; кристаллизуется при эвтектической температуре изотермически. Одновременно выделяются две фазы: аустенит состава точки Е и цементит. Образующаяся смесь этих фаз, как известно, названа ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура и содержит 4,3 % углерода. Фазовый состав ледебурита, как и любой эвтектики, постоянен. При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ES вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8%С. При температуре линии PSK аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит. Таким образом при температуре ниже 727 oС в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит. Такой ледебурит называют ледебурит превращенный (ЛП). Рис. 6 - Часть диаграммы состояния Fe – Fe3C для высокоуглеродистых сплавов (чугунов) В доэвтектических белых чугунах (< 4,3%С) кристаллизация сплава начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. В сплаве I (см. рис.6) этот процесс идет в интервале температур точек 1 - 2. При температуре точки 2 образуется эвтектика (ледебурит), т.е. начинается процесс: Жс ↔АЕ + Ц 24 При последующем охлаждении из аустенита, структурно свободного и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при 727°С превращается в перлит. Структура доэвтектического белого чугуна состоит из крупных темных полей перлита, образовавшегося из структурно - свободного аустенита, на фоне ледебурита ( рис.7а). Рисунок 7 - Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун; б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун Сплав III (см. рис.6) - заэвтектический белый чугун (> 4,3%С). В заэвтектических чугунах кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита в интервале температур точек 5 6; при этом состав жидкой фазы изменяется согласно линии DC. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением, с образованием ледебурита. При дальнейшим охлаждении происходят превращения в твердом состоянии, такие же, как в сплаве II. Конечная структура заэвтектического чугуна при 20 - 25°С состоит из ледебурита, на фоне которого видны темные участки перлита. Резко выделяются крупные пластинки первичного цементита (рис. 5в). Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах один и тот же, они состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, одним из основных факторов, определяющих свойства сплавов системы железо – цементит является их структура. 25 8. Превращения в сплавах системы железо — графит Диаграмма состояния Fe - С нанесена на диаграмме состояния Fe штриховыми линиями (рис.1). Такой способ изображения системы Fe - С дает возможность сравнивать обе диаграммы. В системе Fe - С эвтектика образуется при 1153°С. Она содержит 4,26% С и состоит из аустенита и графита. Ее называют графитной эвтектикой. Жć ↔ АЕ′ + С (Гр) Эвтектоидное превращение у сплавов системы Fe - С протекает при температуре 738°С, причем эвтектоидная точка соответствует содержанию 0,7% С. Структура эвтектоида состоит из феррита и графита. АЕ′ ↔ ФР′ + С (Гр) Эвтектоид называют графитовым. В интервале 1153 - 738°С из аустенита выпадает вторичный графит. При этом аустенит изменяет свой состав по линии Е'S'. Линия С'D' указывает изменение состава жидкой фазы во время кристаллизации первичного графита. Рассмотрение диаграммы состояния Fe - С принципиально не отличается от чтения диаграммы состояния Fe – Fе3С, но во всех случаях из сплавов выпадает не цементит, а графит. Первичный графит и графит в эвтектике кристаллизуются путем образования и последующего роста зародышей. При этом кристаллы графита имеют сложную форму в виде лепестков, выходящих из одного центра. Вторичный графит и графит эвтектоида, как эвтектического правило, графита. выделяются на лепестках Железоуглеродистые первичного сплавы и могут кристаллизоваться в соответствии с диаграммой Fe - С только при весьма медленном охлаждении и наличии графитизирующих добавок (Si, Ni и др.). 26 Литература 1. Материаловедение / под ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Изд-во. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 648 с. 2. Гуляев А.П. Металловедение: учебник / А.П. Гуляев М.: Металлургия, 1986. 27