Превращения сталей в твердом состоянии

 

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 АЕ).

Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рисунок 2.7, а).

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02% С (точка Рдиа­граммы), называют техническим железом. Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02…2,14 % углерода.

 

Рисунок 2.7 - Часть диаграммы состояния Fe – Fe₃С для спла­вов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное превращение

 

Если углерода содержится меньше 0,0002% (сплав I на рисунке 2.7, а), то при охлаждении от температуры точки 1до температуры точки 2происходит 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 рисунке 2.7, 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 (рисунок 2.7, б)с содержанием 0,8%С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSKпроисходит нонвариантное эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит, что в сумме дает перлит.

А_s ↔Ф_р + Ц.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования (рисунок 2.8, б,в).

Рисунок 2.8 - Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь; б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь

Эвтектоидное превращение («эвтектоид» означает похожий на эвтектику) идет при постоянных тем­пературе и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы и число степеней свободы равно нулю.

Сплав I (рисунок 2.8, а)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 bфазовый состав сплава А_с+ Ф_а. 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 (рисунок 2.8, б).

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 (рисунок 2.8, г ) — заэвтектоидная сталь (> 0,8% С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 - 4предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (Ц_II). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ESдиаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8% и на линии PSKиспытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выгля­дят светлой сеткой (рисунок. 2.8, г). Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.

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 (рисунок 2.9) — эв­тектический белый чугун; кристаллизуется при эвтекти­ческой температуре изотермиче­ски. Одновременно выделяются две фазы: аустенит состава точ­ки Еи 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 ESвследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8% С. При температуре линии PSKаустенит 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).

Рисунок 2.9 - 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 (рисунок 2.9) этот процесс идет в интервале температур точек 1 - 2. При температуре точки 2образуется эвтектика (ледебурит), т.е. начинается процесс:

Ж_с ↔А_Е + 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 (рисунок 2.10, а).

Рисунок 2.10 - Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун; б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун

 

Сплав III(рисунок 2.9) - 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 (рисунок 2.10, в).

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.

Тесты для самоконтроля

1. Металлы – это…

 

А) сложные вещества, имеющие широкое распространение в природе

Б) простые вещества, имеющие низкое распространение в природе

В) простые вещества, имеющие широкое распространение в природе