Материаловедение диаграмма состояния железо углерод

Понятие о сплавах, компоненты и фазы. Диаграмма состояния.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представ­ление о строении основных конструкционных сплавов — сталей и чугунов.

Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов же­леза с углеродом. Железо — пластичный металл серебристо-белого цвета с невысокой твердостью (НВ 80). Температура плавления — 1539 °С, плотность 7,83 г/см3. Имеет полиморфные модификации (см. раздел 2.1.). С углеродом железо образует химическое соединение и твердые растворы.

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fe₃С. В нем содержится 6,67 % углерода (по массе). Имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку. Характе­ризуется очень высокой твердостью (НВ 800), крайне низкой плас­тичностью и хрупкостью.

Ферритом называется твердый раствор углерода к α- железе. Со­держание углерода в феррите очень невелико — максимальное 0,02% при температуре 727 °С. Благодаря столь малому содержанию угле­рода свойства феррита совпадают со свойствами железа (низкая твер­дость и высокая пластичность). Твердый раствор углерода в высоко­температурной модификации Fe_α (т. е. в Fe_δ) часто называют δ- ферритом или высокотемпературным ферритом.

Аустенит — это твердый раствор углерода в γ- железе. Макси­мальное содержание углерода в аустените составляет 2,14 % (при температуре 1147 °С). Имеет твердость НВ 220.

Перлит — это механическая смесь феррита с цементитом. Со­держит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующих­ся пластинок феррита и цементита. Перлит является эвтектоидом. Эвтектоид— это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3 % углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147 °С. При температуре 727 °С аустенит, входя­щий в состав ледебурита превращается в перлит и ниже этой темпе­ратуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.

Фаза цементита имеет пять структурных форм: цементит пер­вичный, образующийся из жидкого сплава; цементит вторичный, образующийся из аустенита; цементит третичный, образующийся из феррита; цементит ледебурита; цементит перлита.

Диаграмма Fе-Fе₃С. На рис. 13 приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67 %. Левая вертикальная ось соответствует 100 % содержанию железа. На ней отложены темпера­тура плавления железа и температуры его полиморфных превраще­ний. Правая вертикальная ось (6,67 % углерода) соответствует 100 % содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы при­нято согласно международному стандарту и изменению не подлежит.

Линия АВСД диаграммы является линией ликвидус. На ней на­чинается кристаллизация: на участке АВ — феррита, ВС — аустенита и СД — первичного цементита. Линия AHJECF является лини­ей солидус диаграммы.

Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания угле­рода делятся на техническое железо (до 0,02 % С), сталь (от 0,02 до 2,14 % С) и чугун (от 2,14 до 6,67 % С). Сталь, содержащая до 0,8 % С называется доэвтектоидной, 0,8 % С — эвтектоидной и свыше 0,8 % С — заэвтектоидной. Чугун, содержащий от 2,14 до 4,3 % С называется доэвтектическнм, ровно 4,3% — эвтектическим и от 4,3 до 6,67 % С — заэвтектическим.

Структура технического железа представляет собой зерна фер­рита или феррит с небольшим количеством третичного цементита. Обязательной структурной составляющей стали является перлит. Структура доэвтектоидной стали, состоит из равномерно распреде­ленных зерен феррита и перлита. Эвтектоидная сталь состоит толь­ко из перлита. Структура заэвтектоидной стали представляет собой зерна перлита, окруженные сплошной или прерывистой сеткой вто­ричного цементита. Дня чугуна характерно наличие ледебурита в структуре. Структура доэвтектического чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита, эвтектического — из ледебури­та и заэвтектического — из ледебурита и первичного цементита.

Значение диаграммы железо — цементит состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить ре­жимы термической обработки для изменения свойств сталей.

Стали

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором углеро­да содержится не более 2,14%. Это теоретическое определение. На практике в сталях, как правило, не содержится углерода более 1,5 %.

Влияние углерода и примесей на свойства стали. Углерод существенно влияет на свойства стали даже при незначительном измене­нии его содержания. В стали имеются две фазы — феррит и цементит (частично в виде перлита). Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода.Как уже говорилось, феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой твердостью, а це­ментит, напротив, очень низкой пластичностью и высокой твердо­стью. Поэтому с повышением содержания углерода до 1,2 % снижают­ся пластичность и вязкость стали и повышаются твердость и прочность.

Повышение содержания углерода влияет и на технологические свойства стали. Ковкость, свариваемость и обрабатываемость реза­нием ухудшаются, по литейные свойства улучшаются.

Кроме железа и углерода в стали всегда присутствуют постоянные примеси. Наличие примесей объясняется технологическими особен­ностями производства стали (марганец, кремний) и невозможностью полного удаления примесей, попавших в сталь из железной руды (сера, фосфор, кислород, водород, азот). Возможны также случайные при­меси (хром, никель, медь и др.).

Марганец и кремний вводят в любую сталь для раскисления, т.е. для удаления вредных примесей оксида железа FеО. Марганец также устраняет вредные сернистые соединения железа. При этом содер­жание марганца обычно не превышает 0,8 %, а кремния — 0,4 %. Марганец повышает прочность, а кремний упругость стали.

Фосфор растворяется в феррите, сильно искажает кристалли­ческую решетку, снижая при этом пластичность и вязкость, но по­вышая прочность. Вредное влияние фосфора заключается в том, что он сильно повышает температуру перехода стали в хрупкое состоя­ние, т.е. вызывает ее хладноломкость. Вредность фосфора усугубля­ется тем, что он может распределяться в стали неравномерно. По­этому содержания фосфора в стали ограничивается величиной 0,045 %.

Сера также является вредной примесью. Она нерастворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который образует с железом легкоплавкую эвтектику. Эвтектика располагается по гра­ницам зерен и делает сталь хрупкой при высоких температурах. Это явление называется красноломкостью. Количество серы в стали ог­раничивается 0,05 %.

Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших ко­личествах. Они являются вредными примесями, ухудшающими свой­ства стали.

Классификация сталей. По химическому составу стали могут быть углеродистыми, содержащими железо, углерод и примеси и легированными, содержащими дополнительно легирующие элемен­ты, введенные в сталь с целью изменения ее свойств.

По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25 … 0,7 % С) и высокоуглеро­дистые (более 0,7 % С).

По назначению различают стали конструкционные, идущие на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений, инстру­ментальные, идущие на изготовление различного инструмента, а также стали специального назначения с особыми свойствами: нержавею­щие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, с особыми элект­рическими и магнитными свойствами и др..

По показателям качества стали классифицируются на обыкно­венного качества, качественные, высококачественные и особо высо­кокачественные. Качество стали характеризуется совокупностью свойств, определяемых процессом производства, химическим соста­вом, содержанием газов и вредных примесей (серы и фосфора). В соответствии с ГОСТом стали обыкновенного качества должны со­держать не более 0,045 % Р и 0,05 % S, качественные — не более 0,035 % Р и 0,04 % S, высококачественные — не более 0,025 % Р и 0,025 % S и особо высококачественные — не более 0,025 % Р и 0,015 % S.

Углероди­стые конструкционные стали могут быть только обыкновенного ка­чества и качественными.

Качественные конструкционные углеродистые стати маркируют­ся цифрами 08, 10, 15, 20, 25, . 85, которые обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Эти стали отличаются от сталей обыкновенного качества большей прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Если для сталей обыкновенного качества макси­мальная прочность составляет 700 МПа, то для качественной она достигает 1100 МПа. Более подробно они будут рассмотрены совместно с конструкционными легированными сталями (см. раздел 5.1.).

Чугуны

Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67 % углерода. Но это теоретическое определение. На практике содержание углерода в чугунах находится в пределах 2,5…4,5 %. В качестве примесей чугун содержит Si, Мn, S и Р.

Классификация чугунов. В зависимости от того, в какой форме содержится углерод в чугунах, различают следующие их виды. В бе­лом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде це­ментита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме Fе-Fе₃С. В сером чугуне большая часть углерода находится в виде графита, вклю­чения которого имеют пластинчатую форму. В высокопрочном чугуне графитные включения имеют шаровидную форму, а в ковком — хлопь­евидную. Содержание углерода в виде цементита в сером, высоко­прочном и ковком чугунах может составлять не более 0,8%.

Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не ис­пользуется и применяется как предельный чугун, т.е. идет на произ­водство стали. Для деталей с высокой износостойкостью использу­ется чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого чугуна. Машиностроительными чугунами, идущими на изго­товление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьем, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включени­ям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостой­кость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения умень­шают прочность.

Таким образом, структура машиностроительных чугунов состо­ит из металлической основы и графитных включений. По металли­ческой основе они классифицируются на ферритный чугун (весь углерод содержится в виде графита), феррито-перлитный и перлит­ный (содержит 0,8% углерода в виде цементита). Характер ме­таллической основы влияет на механические свойства чугунов: проч­ность и твердость выше у перлитных, а пластичность — у ферритных.

Серый чугун имеет пластинчатые графитные включения. Струк­тура серого чугуна схематически изображена на рис. 14,а. Получают серый чугун путем первичной кристаллизации из жидкого сплава.

На графитизацию (процесс выделения графита) влияют скорость охлаждения и химический состав чугуна. При быстром охлаждении графитизации не происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются, соответственно, пер­литный, феррито-перлитный и ферритный серые чугуны. Способ­ствуют графитизации углерод и кремний.

Кремния содержится в чу­гуне от 0,5 до 5 %. Иногда его вводят специально. Марганец и сера препятствуют графитизации. Кроме того, сера ухудшает механичес­кие и литейные свойства. Фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства.

Механические свойства серого чугуна зависят от количества и размера графитных включений. По сравнению с металлической ос­новой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитные включе­ния можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими ме­таллическую основу. Так как пластинчатые включения наиболее сильно ослабляют металлическую основу, серый чугун имеет наибо­лее низкие характеристики, как прочности, так и пластичности сре­ди всех машиностроительных чугунов. Уменьшение размера графит­ных включений улучшает механические свойства. Измельчению графитных включений способствует кремний.

Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающем предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Так, чугун СЧ 35 имеет σ_в=350 МПа. Имеются следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20. . СЧ 45.

Высокопрочный чугун имеет шаровидные графитные включе­ния. Структура высокопрочного чугуна изображена на рис. 14,б. Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун неболь­шого количества щелочных или щелочноземельных металлов, кото­рые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется уве­личением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03…0,07 %. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.

Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ос­лабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и т. д.

Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности и десятых долях мегапаскаля. Например, чугун ВЧ 60 имеет σ_в = 600 МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей — зубчатых колес, валов и др.

Ковкий чугун имеет хлопьевидные графитные включения (рис. 14, в). Его получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига, ко­торый заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при темпера­туре 950…970 °С. Если после этого чугун охладить, то получается ков­кий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит из перлита и небольшого количества (до 20 %) феррита. Такой чугун называют также светлосердечным. Если в области эвтектоидного пре­вращения (720…760 °С) проводить очень медленное охлаждение или даже дать выдержку, то получится ковкий ферритный чугун, металли­ческая основа которого состоит из феррита и очень небольшого ко­личества перлита (до 10 %). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравнительно много графита.

Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, пока­зывающими предел прочности в десятых долях мегапаскаля и от­носительное удлинение в %. Так, чугун КЧ 45-7 имеет σ_в = 450 МПа и δ= 7%. Ферритные ковкие чугуны (КЧ 33-8, КЧ 37-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ 50-4, КЧ 60-3) более высокую прочность. Применяют ковкий чугун для деталей неболь­шого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Основные положения

Железо — металл серебристобелого цвета. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999 % Fe, а технические сорта 99,8—99,9 % Fe.

Температура плавления железа 1539 °С.

Железо известно в двух полиморфных модификациях α и γ . α -железо существует при температурах ниже 910 °С и выше 1392 °С (рис. 1). Для интервала температур 1392— 1539 °С α -железо нередко обозначают как δ -железо.

Рис. 1. Кривые нагрева и охлаждения железа

Кристаллическая решетка α -железа — объемноцентрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 768 °С α -железо магнитно (ферромагнитно). Критическую точку (768 °С), соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри и обозначают А2.

Критическую точку α — γ превращення (рис. 1) при 910 °С обозначают соответственно Ас3 (при нагреве) и Аг3 (при охлаждении). Критическую точку α — γ превращення железа при 1392 °С обозначают Ас4 (при нагреве) и Аг4 (при охлаждении).

Кристаллическая решетка γ -железа — гранецентрированныи куб с периодом 0,3645 нм при температуре 910 °С. Плотность железа выше, чем железа, и равна 8,0-8,1 г/см3. При превращении α — γ происходит сжатие. Объемный эффект сжатия составляет примерно 1%.

Углерод является неметаллическим элементом. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения — цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

При этом в сплавах могут образовываться следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит и др.

Феррит — твердый раствор углерода и других примесей в α -железе.
Это почти чистое железо, так как растворимость углерода в железе чрезвычайно мала (0,006. 0,03 %). Феррит устойчив до температуры 911 °С, имеет очень небольшие твердость и прочность, но высокую пластичность, поэтому хорошо деформируется в холодном состоянии (штампуется, прокатывается, протягивается). Чем больше феррита в железоуглеродистом сплаве, тем сплав пластичнее.

Аустенит — твердый раствор углерода и других примесей в γ -железе. Предельная растворимость углерода в у-железе — 2,14%. Предельная растворимость углерода в железе — 2,14 %. Характерная особенность аустенита в том, что он может существовать в железоуглеродистых сплавах только при высоких температурах (от 1539 до 727 °С). Аустенит по пластичности соизмерим с ферритом, но по твердости превосходит его примерно в 2 раза.

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe₃C. В цементите содержится 6,67 % углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита около 1600 °С. Содержание углерода в цементите составляет 6,67 %, и это самая твердая и хрупкая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит имеет высокую твердость и не обладает пластичностью. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и более хрупки.

Перлит — механическая смесь феррита и цементиту, подразделяется на пластинчатый и зернистый в зависимости от формы кристаллов цементита, имеющих вид соответственно либо пластинок, либо округлых мелких зерен. Такую смесь называют эв-тектоидной, так как она хотя и подобна эвтектической, но образовалась в отличие от нее не при кристаллизации, а в процессе распада твердого раствора.

Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита. Температура образования ледебурита 1147 °С. Он может существовать до температуры 727 °С, ниже этой температуры аустенит распадается на перлит и цементит.

Структурные составляющие сталей и чугунов

НаименованиеМартенсит

Краткое описание	Условие образования	Температуры устойчивости структуры	Физические свойства	Твердость HB
Аустенит	Твердый раствор углерода и других элементов в γ -железе. Содержит до 2% углерода	При затвердевании жидкого раствора с содержанием углерода не более 4,3%	Выше Ас3, Аст, Ас1	Мягок, немагнитен, тягуч, мало упруг, обладает электрическим сопротивлением	170-220
Феррит	Твердый раствор углерода и других элементов в α -железе. Содержит до 0,006% углерода	При медленном охлаждении доэвтектоидной стали ниже Ar3, выделяется из аустенита	Ниже Ac3	Мягок, очень тягуч, мало упруг, магнитен при температуре ниже точки Кюри	60-100
Цементит	Химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe3C. Содержит 6,67% углерода	Первичный — из жидкого раствора при содержании углерода свыше 4,3%; вторичный — из аустенита при медленном охлаждении	Ниже Ac3	Тверд, хрупок, магнитен до температуры 210 °С	820
Перлит	Эвтектоидная смесь цементита с ферритом	При медленном охлаждении аустенита в результате диффузии углерода	Ниже 723 °С	Более тверд и прочен, чем феррит, но менее пластичен, магнитен	160-230
Твердый раствор углерода и других элементов в α -железе с искаженной тетрагональной решеткой	При охлаждении аустенита со скоростью выше критической	Ниже 150 °С	Хрупок, тверд, магнитен, теплопроводность и электропроводность низкая	650-700
Троостит	Высокодисперсная смесь феррита и карбидов	При нагреве мартенсита до 250-400 °С	До 500 °С	Магнитен, менее прочен и более электропроводен чем мартенсит	350-450
Игольчатый троостит	Высокодисперсная смесь феррита и карбидов	При изотермическом превращении аустенита в пределах температур 250-400 °С	До 500 °С	Тверд, малопластичен, магнитен	Свыше 350
Сорбит	Дисперсная смесь феррита и карбидов	При нагреве мартенсита в пределах от 400 °С до Ac1	До Ac1	Пластичен, вязок, магнитен	230-320
Ледебурит	Эвтектическая смесь аустенита и цементита при температуре выше 723 °С и перлита и цементита при температуре ниже 723 °С. Содержит 4,3% углерода	При затвердевании жидкого сплава с содрежанием углерода свыше 2%	Ниже 1130 °С	Хрупок	900-1000

Диаграмма состояния железо—углерод (Fe—С)

На диаграмме состояния железо—углерод (рис. 2) приведен фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % С).

Рис. 2. Диаграмма железо-углерод

Линии диаграммы определяют превращения в структуре и свойствах сплавов, происходящие при изменении температуры. Чистое железо плавится и затвердевает при постоянной температуре 1539 °С, все остальные сплавы железа с углеродом плавятся (затвердевают) и испытывают превращения структуры в некотором интервале температур.

Рассматривая эти превращения, можно выделить два их типа: превращение структуры сплавов при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация) и превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).

Первичная кристаллизация для всех сплавов начинается при снижении температуры по линии ликвидуса ACD. При этом сплавы, содержащие 0. 4,3% С, начинают затвердевать по линии АС с выделением зерен аустенита, а сплавы с содержанием углерода выше 4,3 % затвердевают по линии CD, выделяя зерна цементита, называемого первичным. В точке С при температуре 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава кристаллизуется одновременно аустенит и первичный цементит, образуется эвтектическая смесь — ледебурит, который присутствует во всех сплавах, относящихся к чугунам.

Кристаллизация сплавов заканчивается по линии солидуса AECF.

Дальнейшие изменения структуры сплавов происходят при понижении температуры в твердом состоянии, т.е. при вторичной кристаллизации.

Вторичная кристаллизация в сплаве железо—углерод связана с аллотропным превращением у-железа в a-железо и характеризуется линиями диаграммы GSEF и PSK.

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит, поэтому в области GSP будет структура аустенит + феррит. Критические точки, лежащие на линии GS, обозначаются либо Ас3 при нагреве, либо Аг3 при охлаждении.

Линия SE показывает снижение растворимости углерода в железе с понижением температуры. Критические точки на этой линии обозначают Аст. Если в точке Е при температуре 1147 °С растворимость углерода максимальная и достигает 2,14 %, то в точке S при 727 °С растворимость углерода составляет всего 0,8 %. Следовательно, во всех сталях в интервале концентраций углерода 0,8. 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод, который, соединяясь с железом, образует цементит, называемый вторичным, а сталь имеет структуру аустенит + цементит вторичный.

Точка S является концом равновесного существования аустенита и называется эвтектоидной точкой. Она делит все стали на две типичные группы: левее точки S находятся доэвтектоидные стали со структурой феррит + перлит, правее — заэвтектоидные со структурой цементит вторичный + перлит. В точке S сталь содержит 0,8 % углерода, имеет структуру перлита и называется эвтектоидной.

При охлаждении аустенита с низким содержанием углерода в результате его превращения в феррит в области QPG образуется однофазная ферритная структура.

Для всех сплавов железо—углерод распад аустенита заканчивается по линии PSK (727 °С). Критические точки, лежащие на этой линии, обозначаются при нагреве Ac1 и при охлаждении Ar1.

Итак, рассматривая превращения в железоуглеродистых сплавах по диаграмме состояния, можно отметить следующие особенности:
• точки С и S являются характерными точками структурных превращений. Выше точки С находится жидкий раствор, а выше точки S — твердый раствор (аустенит);
• в точке С сходятся линии ликвидуса АС и CD, указывающие соответственно на начало выделения кристаллов аустенита и первичного цементита из жидкого раствора (процесс первичной кристаллизации); в этой точке образуется эвтектическая механическая смесь — ледебурит;
• в точке S сходятся ветви линии солидуса GS и ES, указывающие на начало выделения кристаллов феррита и вторичного цементита из твердого раствора (процесс вторичной кристаллизации) и образование эвтектоидной механической смеси — перлита.

Рассмотрим превращения структуры стали под воздействием температуры. Все описанные ранее структуры стали — ферритно-перлитная, перлитная и перлитно-цементитная — обратимы. Так, при нагреве доэвтектоидных сталей до температуры выше 727 °С (линия критических точек) перлит превращается в аустенит. При дальнейшем нагреве феррит растворяется в аустените и заканчивается процесс превращения по линии GS (критические точки). У эвтектоидной стали (0,8 % С) перлит превращается в аустенит в точке S. При нагреве заэвтектоидной стали перлит превращается в аустенит при температуре 727 °С (линия критических точек), и при дальнейшем нагреве происходит растворение цементита (вторичного) в аустените, которое заканчивается по линии SE (критические точки).

Таким образом, при нагреве стали до температур выше точки S и линий критических точек ее структура представляет собой аустенит. Однако вновь образующийся аустенит оказывается неоднородным, так как содержание углерода будет большим в тех местах, где находятся пластинки цементита. Для получения однородного аустенита необходимо не только нагреть сталь до температуры на 30. 50°С выше критических точек, но и выдержать ее при этой температуре некоторое время для завершении диффузионных процессов.

На структуру стали и ее свойства оказывает влияние не только нагрев, но и режим охлаждения, от которого зависит характер структуры, образующейся в результате превращения аустенита. При медленном непрерывном охлаждении аустенит превращается в равновесные, т. е. устойчивые при нормальных температурах и нагреве до температур ниже критических, структуры — перлит, феррит и цементит. При быстром охлаждении будет иметь место переохлаждение аустенита и образуются новые неравновесные мелкозернистые ферритно-цементитные структуры — сорбит, троостит и бейнит, которые различаются между собой механическими свойствами и прежде всего твердостью вследствие наличия в структуре разных по размерам и форме пластинок феррита и цементита. Твердость этих структур возрастает по мере снижения температуры их образования.

Сорбит представляет собой более мелкую, чем перлит, механическую смесь феррита с цементитом и имеет твердость НВ 2500. 3000 МПа, а также более высокие прочность и упругость при достаточной вязкости.

У троостита смесь феррита с цементитом мельче, чем у сорбита, и его твердость равна 3500. 4000 МПа. Троостит по сравнению с сорбитом обладает и более высокими упругими свойствами, но меньшей вязкостью.

У бейнита игольчатая структура состоит из несколько перенасыщенного твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение, и частиц цементита. Поэтому твердость бейнита выше, чем троостита.

Если сильно переохладить аустенит, то произойдет бездиффузионное превращение γ -железа в α -железо, в результате которого образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в железе — структура, называемая мартенситом. Данная структура состоит из игл разных размеров. Мартенсит имеет самую высокую из структурных составляющих сплавов железа твердость, хорошее сопротивление износу, но низкие эластичность и вязкость, большие внутренние напряжения. Он является основной закалочной структурой.

Основные превращения в железоуглеродистых сплавах при медленном нагревании и охлаждении

Часть диаграммы состояния сплавов железо-углерод

В системе железо — углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с ОЦК (объемно-центрированной кубической) решеткой.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 727 °C (точка P). Атомы углерода располагается в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине ребер куба, а также в дефектах решетки.

При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка I)

Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость — 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсуствии углерода) до 770 °C.

3. Аустенит (γ) — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решеткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен.

При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.

4. Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Он твердый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.

В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:

— цементит первичный (выделяется из жидкости),

— цементит вторичный (выделяется из аустенита),

— цементит третичный (из феррита),

— цементит эвтектический и

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зернами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.

Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.

Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твердости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.

5. Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решеткой. Плотность графита (2,3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5 — 7,8) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.

Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфероидов (высокопрочный чугун).

Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности — высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и некоторых марках стали — в графитизированных сталях.

2.Ледебурит — структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представляющая собой эвтектическую смесь аустенита и цементита в интервале температур 727—1147 °C, или феррита и цементита ниже 727 °C.

Структура и свойства

Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в эвтектической жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идет сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу.

В зависимости от температуры, фазовый состав ледебурита может быть разным. Так в температурном интервале от 1147 °C до 727 °C ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температурах ниже 727 °C — из перлита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Присутствие в железоуглеродистых сплавах

Ледебуритная смесь возникает в чистых железоуглеродистых сплавах в интервале концентраций углерода от 2 % до 6,67 %, что соответствует чугунам. Механизм образования ледебурита в доэвтектических (левее точки эвтектики, соответствующей 4,3 % углерода, на диаграмме железо-углерод), эвтектических и заэвтектических (правее точки эвтэктики) чугунах различается.

в доэвтектических чугунах

При охлаждении жидкой фазы состава доэвтектического чугуна первым начинает кристаллизоваться аустенит, вследствие чего состав жидкой фазы начинает смещаться в сторону увеличения концентрации углерода (ввиду меньшей растворимости углерода в аустените). По достижении точки эвтектики (4,3 % углерода, 1147 °C) начинается кристаллизация эвтектики — ледебурита. В процессе дальнейшего охлаждения чугуна в интервале температур от 1147 °C до 727 °C аустенит обедняется углеродом и выделяется вторичный цементит. Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен аустенита, сливается с цементитом ледебурита, поэтому практически не виден под микроскопом. При небольшом переохлаждении ниже 727 °C аустенит по эвтектоидной реакции превращается в перлит. Таким образом, в доэвтектических белых чугунах, при комнатной температуре, ледебурит, как структурная составляющая, присутствует наряду с перлитом и вторичным цементитом.

в эвтектическом чугуне

При охлаждении жидкой фазы состава точки эвтектики до температуры 1147 °C начинается одновременная кристаллизация смеси аустенита и цементита — ледебурита. В дальнейшем аустенит распадается на феррито-цементитную смесь (перлит).

в заэвтектических чугунах

В заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит. При комнатной температуре эаэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит.

Ледебурит может образовываться в сталях если в них, во-первых, содержание углерода достаточно велико (свыше 0,7 % (

1,3 %—1,5 %), что соответствует инструментальным сталям), и, во-вторых, при высоком содержании карбидообразующих легирующих элементов (Cr, W, Ti, Mo и др.). Введение этих легирующих элементов, в больших количествах, уменьшает растворимость углерода в аустените и перлите, что, в определённых случаях, и приводит к возможности выделения эвтектики при, сравнительно, малых содержаниях углерода. Такие стали (например, быстрорежущая) называют ледебуритными.

3.

Сплав II (рис. 2б )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.

Такую микрогетерогенную смесь двух фаз называют перлитом. Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования (рис.3 б,в). .

Рисунок 3 — 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 (см. рис. 2б)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 (рис.3а).

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. 2б) — 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 (рис. 3г). Максимальное количество структурно свободного цементита (

20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.

4. В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:

— цементит первичный (выделяется из жидкости),

— цементит вторичный (выделяется из аустенита),

— цементит третичный (из феррита),

— цементит эвтектический и

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зернами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.

Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.

Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твердости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.

5. Перлит (от фр. perle — жемчужина) — одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов: представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз — феррита и цементита (в легированных сталях — карбидов). Перлит — продукт эвтектоидного распада (перлитного превращения) аустенита при сравнительно медленном охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже 727 °C. При этом γ-железо переходит в α-железо, растворимость углерода в котором составляет от 0,006 до 0,025%; избыточный углерод выделяется в форме цементита или карбидов. В зависимости от формы различают перлит пластинчатый (основной вид перлита; обе фазы имеют форму пластинок) и зернистый (округлые зёрнышки, или глобули, цементита располагаются на фоне зёрен феррита). С увеличением переохлаждения растёт число колоний перлита, то есть участков с однообразной ориентацией пластинок феррита и цементита (карбидов), а сами пластинки становятся более тонкими. Механические свойства перлита зависят в первую очередь от межпластиночного расстояния (суммарная толщина пластинок обеих фаз): чем оно меньше, тем выше значение предела прочности и предела текучести и ниже критическая температура хладноломкости. При перлитной структуре облегчается механическая обработка стали. Дисперсные разновидности перлита называют сорбитом и трооститом.

6. Вторичный цементит

Вторичный цементит выделяется из аустенита — γ-твёрдого раствора. При охаждении выделение происходит по линии ES (диаграмма Fe-C). Форма вторичного цементита: цементитная сетка, цементит по границам зёрен.

7. Чугун включает в себя железоуглеродистый сплав, который содержит более 2 процентов углерода. В отличие от него сталь является железоуглеродистым сплавом, состоящим с менее 2.14 процента углерода, но с наличием определенных добавок в виде других элементов.

Другой отличительным признаком стали от чугуна является то, что сталь, в зависимости от своей марки, подвергается закалке, а чугун процедуре закаливания не поддается.

Чугун по своим свойствам является твердым и хрупким. Он не подвергается ковке. Сталь, в отличие от чугуна, хорошо поддается ковке, а также сварке, и вообще всем распространенным видам механической обработки.

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. 2б) — 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 (рис. 3г). Максимальное количество структурно свободного цементита (

20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.

В доэвтектических белых чугунах (

|	следующая лекция ==>
Социальные действия людей	|

Дата добавления: 2016-10-07 ; просмотров: 1983 | Нарушение авторских прав

«>