Кристаллизация сталей и твердофазные превращения в сталях. Выделение аустенита, феррита, цементита, перлитное превращение

«Кристаллизация сталей и твердофазные превращения в сталях. Выделение аустенита, феррита, цементита, перлитное превращение»

1. Кристаллизация в сталях

Рисунок 1. Участок диаграммы состояния железо – карбид железа

Характерные точки диаграммы:

B (1499?С) ? 0,51% С

H (1499?С) ? 0,1% С

I (1499?С) ? 0,16% С

Пять групп сталей при кристаллизации:

I_гр. – от 0 до 0,1% С (до т.H)

II_гр. – от 0,1 до 0,16% С (от т. H до т. J)

III_гр. – 0,16% C (т. J)

IV_гр. – от 0,16 до 0,51% С (от т. J до т. В)

V_гр. – от 0,51 до 2,14% С (от т. В до т. С)

Рассмотрим ряд характерных сплавов:

Сплав I

При температуре соответствующей точке 1, сплав находится в равновесном состоянии, имеется набор фазовых и концентрационных флуктуаций.

При t₂ ? количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций увеличивается, и немного ниже t₂ начинается процесс кристаллизации. Линия АВ ? линия насыщения жидкого сплава ?-Ферритом. Состав жидкости описывается линией ликвидус, а ?-Ф по линии солидус.

При t₃ жидкая фаза имеет состав т. б, а ?-Ф ? состав т. а.

При t₄ кристаллизация заканчивается, ниже этой температуры существует только ?-Ф, вплоть до температуры t₅.

Ниже t₅ ?-Ф пересыщается –Fe (Аустенитом) и происходит его выделение.

При температуре t₆ ? точка в описывает состав ? ?-Феррита, точка г ? описывает состав Аустенита.

Количественное соотношение фаз:

?-Ф_в =

А_г=

Ниже точки 7 существует только аустенит.

Сплав II

Точка 1, 2, 3 ? аналогично сплаву l.

При температуре t_4, соответствующей перитектическому равновесию, состав жидкой фазы определяется точкой В, а состав ?-Феррита точкой Н:

?-Ф_н + Ж_в А_J + ?-Ф_н (остаточный или избыточный)

При дальнейшем охлаждении ниже t₄ остаточный ?-Ф_ост. кристаллизируется в аустенит (А).

Ниже т. 5 существует только аустенит.

Сплав III

Точки 1, 2, 3 ? аналогично сплавам I, II.

При температуре т. 4 (J) (температура перитектического равновесия):

?-Ф_н + Ж_в А_J (100%),

происходит полное превращение без сохранения избыточных фаз.

Сплав IV

Точки 1, 2, 3 ? аналогично сплаву I?III.

При температуре т. 4 происходит перитектическое превращение:

?-Ф_н + Ж_в А_J + Ж_ост.

При дальнейшем понижении температуры от т. 4 до т. 5, оставшаяся жидкая фаза кристаллизуется в аустенит (А).

Сплав V

При температуре т. 1 и т. 2 ? положение сплава аналогичны ранее рассмотренным.

При температуре т. 3 происходит кристаллизация жидкости в аустенит (в т. 2 жидкая фаза пересыщается в отношении -Fe).

Для жидкости состав меняется по ликвидус f – 5, а для Аустенита ? d – 4, по линии солидус.

Ниже т. 4 существует только аустенит.

Таким образом, какой бы мы сплав не взяли, при содержании углерода менее 0,51%, несмотря на предварительные образования ?-фазы, в конечном итоге образуется -фаза (аустенит).

Аустенит представляет собой однородный твердый раствор внедрения углерода в –Fe.

Рисунок 2. Микроструктура аустенита

2. Твердофазные превращения в сталях

Сплавы Fe с С содержащие от 0 до 0,025% С ? технически чистое железо.

Сплавы Fe с С ? от 0,025 до 0,81% С ? доэвтектоидные стали.

Сплавы Fe с С ? 0,81% С ? эвтектоидная сталь.

Сплавы Fe с С ? от 0,81 до 2,14% С ? заэвтектоидные стали.

Рисунок 3. Участок диаграммы состояния железо – карбид железа

Рассмотрим ряд характерных сплавов:

Сплав I (технически чистое железо).

Точка 1 ? существует Аустенит, имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций.

Точка 2 ? увеличивается размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций.

В точке 3 ? начинается выделения кристаллов феррита ( – модификация). Проводим каноду: т. а ? описывает состав аустенита (начало полиморфного превращения -Fe-Fe); т. б ? описывает состав феррита (конец полиморфного превращения).

Количественное соотношение фаз:

А_а =,

Ф_б =,

(при расчете в домашнем задании 3а и 3б необходимо измерять линейкой, а затем рассчитывать).

С охлаждением сплава количество феррита (Ф) увеличивается (состав изменяется от б до 4), а аустенита (от а до г).

В точке 4 превращение А заканчивается. При t₅ существует только феррит. Линия PQ ? линия изменения растворимости С в Феррите.

При охлаждении ниже PQ феррит пересыщается углеродом, в результате чего происходит выделение избыточного углерода в виде цементита третичного.

Рисунок 4. Микроструктура технически чистого железа

При комнатной температуре:

Ц_III = (max Ц_III=0,29%)

Ф_Q =

(Ц_III ? более 0,17% С не брать.)

Сплав II (доэвтектоидная сталь ? 0,3% С)

Точки 1 и 2 аналогично сплаву I. При t₃ размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций становится критическим и появляется возможность перекристаллизации А в Ф.

Количественное соотношение фаз:

А_y=,

Ф_Z= .

При охлаждении состав Аустенита изменяется по линии y ? S, состав Ф по линии z ? P. Содержание углерода в Аустените возрастает, а его количество уменьшается.

При t₄ (727? С) содержание углерода в аустените достигает 0,81% (точка S).

При t₄:

Ф_р =,

А_s = .

Аустенит при этой температуре одновременно насыщен по отношению к ферриту и цементиту, ниже т. 4 из Аустенита в результате эвтектоидного превращения образуется феррито – цементитная смесь:

А_s Ф_р + Ц ? эвтектоид,

перлит

т.е. перлита будет столько же, сколько аустенита до превращения – П=А_S=35%.

Т.о., структура стали после охлаждения будет: Ф_р и Перлит (Ф и Ц).

Рисунок 5. Микроструктура доэвтектоидной стали

Сплавы Fe с С содержащие углерод от 0,025 до 0,25% называются ? малоуглеродистыми.

С = 0,25 0,6% ? среднеуглеродистые стали;

С = 0,6 0,8% ? высокоуглеродистые доэвтектоидные.

Подсчитаем количество фазовых составляющих при t₅ для сплава с 0,3% С.

т.Q = 0,006% С.

т.L = 6,67% С.

Канода QL ? 100%:

Ф_Q = ,

Ц_L =.

Структура:

Ф = П =

Перлит чаще имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Толщина этих пластинок находится в соотношении 7,3:1. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение.

Сплав III (эвтектоидный состав сплава ? 0,81% С).

Точка 1 ? равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций.

Точка 2 ? количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций увеличивается.

Точка 3 ? Аустенит насыщен одновременно по отношению к ферриту и цементиту, и ниже этой температуры (t₃ =727?С), Аустенит распадается с образованием эвтектоидной смеси (Ф+Ц):

A_S Ф+Ц

перлит

Т.о., сплав III будет иметь одну структурную составляющую ? Перлит.

Рисунок 6. Микроструктура эвтектоидной стали

Определим при температуре t₄ количественное соотношение фазовых составляющих:

Ф_Q = ,

Ц_L =.

Это постоянное соотношение Ф и Ц в перлите, отсюда и соотношение толщин пластинок раза. (Запомнить!)

Сплав IV (1,4% С ? заэвтектоидный сплав)

При t₁ имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций.

При t₂ размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций цементита увеличивается.

При охлаждении до t₃ размер фазовых и концентрационных флуктуаций становится критическим и происходит выделение Ц из аустенита.

При t₃:

A_q = ,

Ц_IIp =.

Состав аустенита при охлаждении меняется по линии qS, а цементит имеет постоянный состав т. К.

Температура t₄ ? соответствует линии эвтектоидного равновесия.

Перед t₄:

А_s = .

Данный аустенит, имеющий состав точки S при дальнейшем охлаждении превратится в перлит (727⁰ С):

A_S П (Ф+Ц), т.е. A_S = П= 89,9%.

Ц_II =.

При t₅ количественное соотношение фаз составит:

Ф_Q = ,

Ц_L=.

Рисунок 7. Микроструктура заэвтектоидной стали

3. Построение кривой охлаждения

Рисунок 8. Кривая охлаждения малоуглеродистой стали

1–2 2–3 3–4

4–5 5–6 6–7

Рисунок 9. Схема изменения микроструктуры малоуглеродистой стали в процессе кристаллизации и твердофазных превращений

Литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.

3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.