Учебно-методическое пособие Нижний Новгород



Скачать 269.5 Kb.
Дата23.10.2012
Размер269.5 Kb.
ТипУчебно-методическое пособие
Черней О.Т.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ


Учебно-методическое пособие


Нижний Новгород

2008
Черней О.Т. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов: Учебно-методическое пособие.- Н.Новгород: ВГИПУ.-27с.


Рецензенты:

Рукосуев И.В., к.т.н., доцент Нижегородского государственного технического университета
Кутепова Л.И. к.п.н., доцент Волжского государственного инженерно-педагогического 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

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

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 .


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 δ-железо 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.

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.

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, 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%.

2. Превращения в сплавах системы железо-цементит

Наличие двух высокоуглеродистых фаз (графита и цементита) приводит к появлению двух диаграмм состояния: метастабильной - железо-цементит 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.
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 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 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 °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 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  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 А4с 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 рас­творимости 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 A1с1 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 состоянии, ниже температур соответствующих линии солидус.

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 ЦI, 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 ЖСЛ (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.

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 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: ФНВ= AJН(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.

4. Вторичная кристаллизация сталей

Рассмотрим теперь превращения, происходящие в сталях при дальнейшем охлаждении в твердом состоянии, т. е. 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 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 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%.



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 727oС 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

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.

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 правило, выделяются на лепестках первичного и эвтектического графита. Железоуглеродистые сплавы могут кристаллизоваться в соответствии с диаграммой Fe - С только при весьма медленном охлаждении и наличии графитизирующих добавок (Si, Ni и др.).
Литература

  1. Материаловедение / под ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Изд-во. МГТУ

им. Н.Э. Баумана, 2001. 648 с.

  1. Гуляев А.П. Металловедение: учебник / А.П. Гуляев М.: Металлургия, 1986.







Похожие:

Учебно-методическое пособие Нижний Новгород iconУчебно-методическое пособие Нижний Новгоpод 2007 удк
Савихин О. Г. Структуры данных: Учебное пособие. Нижний Новгород: Издательство Нижегородского госуниверситета, 2007. с
Учебно-методическое пособие Нижний Новгород iconУчебно-методическое пособие Нижний Новгород, 2005

Учебно-методическое пособие Нижний Новгород iconУчебно-методическое пособие Нижний Новгород 2007 ббк 40. 3
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 013400 Менеджмент и маркетинг в природопользовании
Учебно-методическое пособие Нижний Новгород iconКурс лекций по основам программирования Учебно-методическое пособие
Малыженков В. И. Информатика и вычислительная техника. Курс лекций по основам программирования: Учебно-методическое пособие – Нижний...
Учебно-методическое пособие Нижний Новгород iconУчебно-методическое пособие Великий Новгород 2009 (075. 8) Ббк 67 П68 Печатается по решению рис новГУ
Правоведение: учебно-методическое пособие / Ю. В. Александров, Т. А. Антонова, И. А. Ионов, И. Г. Митюнова, В. А. Сомов; Новгу имени...
Учебно-методическое пособие Нижний Новгород iconМетодические указания по теме 18 Контрольные задания по теме 22
Ч–12 Чалиев А. А., Овчаров А. О. Статистика. Учебно-методическое пособие. Часть – Нижний Новгород: Издательство Нижегородского госуниверситета,...
Учебно-методическое пособие Нижний Новгород iconУчебно-практическое пособие для бакалавров по всем направлениям технического вуза Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт» 2009
Тесты, задачи, упражнения по философии : учебно-практиче-ское пособие / С. В. Грибанов. – Н. Новгород : Изд-во фгоу впо «вгавт»,...
Учебно-методическое пособие Нижний Новгород iconУчебно-методическое пособие для абитуриентов. Н. Новгород: нф гу-вшэ, 2009. Объем: 2 а л
Зороастрова И. В., Николаева Т. П. Вопросы для подготовки к егэ по обществознанию: экономическая сфера. Учебно-методическое пособие...
Учебно-методическое пособие Нижний Новгород iconУчебно-методическое пособие. Нижний Новгород 2011 ббк 32. 81 С 61
Охватывают достаточно широкий диапазон подтем, маркируемых категориями. Например, в тему “блогинг” могут входить категории: “копирайтинг”,...
Учебно-методическое пособие Нижний Новгород iconРешение № г. Нижний Новгород >26. 02. 2010 г. 6/3
«Синтез Сервис-1», г. Нижний Новгород и открытым акционерным обществом «Межрегиональная распределительная сетевая компания Центра...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org