16334850003245_Бабенко Э.Г. Конструкционные материалы 2014. Э. Г. Бабенко конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта рекомендовано Методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Х
 Скачать 3.25 Mb.
|
|
3. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ 3.1. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe 3 C) 3.1.1. Общие положения Железоуглеродистые сплавы являются основными конструкционными материалами практически всех стран мира. Масштабы их производства в значительной мере характеризуют технико-экономический уровень эволюции государства и служат материальной основой развития различных отраслей техники. В общем случае железоуглеродистые сплавы подразделяются на две основные группы стали и чугуны. 53 Получение сплавов с заданными свойствами базируется, прежде всего на анализе системы «состав–структура–свойства» и ее изменении при воздействии внешних условий таких, как температура, давление, механические нагрузки и др. Впервые зависимость «состав–свойства» в виде диаграммы построил в 1819 г. Гей-Люссак, изучая растворимость солей вводе. С тех пор получены тысячи диаграмм «состав–свойства» с основной зависимостью температуры плавления (кристаллизации) от химического состава сплавов. Однако наиболее значимые для практики диаграммы состояний были разработаны гораздо позже. Быстро расширяющееся производство чугунов и сталей во второй половине в. поставило перед наукой и практикой ряд важных задач, связанных не только с проблемой получения металлов, но и с необходимостью обеспечить максимально высокое их качество. Для этого потребовалось глубоко изучить внутренние процессы, происходящие влитой стали при ее механической и тепловой (термической) обработке. Начало было положено трудами русских металлургов (П.П. Аносова, АС. Лавро- ва, Н.В. Калакуцкого и др) и ряда крупных зарубежных ученых. Их деятельность продолжил великий металлург Дмитрий Константинович Чер- нов, который явился основоположником новой отрасли науки – металлографии, учения о строении металлов и сплавов. Научные открытия, сделанные Д.К. Черновым, легли в основу ряда важнейших процессов получения и последующей обработки чугуна и особенно стали. Он графически представил закономерность в изменении структуры стали при нагревании рис. 39). На прямой линии (термометрической шкале) он отметил несколько точек, соответствующих определенным температурам, при которых в структуре стали наблюдались изменения. Точки характеризуют превращения, происходящие встали при определенных температурах вовремя нагревания или охлаждения. Эти превращения существенно изменяют структуру, а соответственно и свойства металла. 0 а б с Не закаливается При движении от с к б кристаллизация Не изменяет структуры При движении от б к с аморфное состояние Рис. 39. Точки Д.К. Чернова Открытые Д.К. Черновым точки дали возможность Х. Розенбому в 1900 г. разработать диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов диаграмма «железо–углерод»). Эта классическая диаграмма (уточненная 54 немецким ученым П. Геренсом) и посей день имеет решающее значение при получении и обработке (особенно термической) сталей и чугунов. Без этой диаграммы практически невозможно разобраться в тех процессах, которые происходят в железоуглеродистых сплавах при различных видах теплового воздействия. На ее основе устанавливаются наиболее рациональные режимы литья деталей, обработки давлением ковки, штамповки, прокатки, сварки и наплавки с последующей термической обработкой изделий. Углерод в сплавах с железом образует карбид железа Fe 3 C цементит. Однако при определенных условиях (очень медленное охлаждение, длительная выдержка при высоких температурах, наличие специальных модификаторов и др) он может выделяться в свободном состоянии в виде графита. Образование графита возможно также при распаде карбида железа. Таким образом, железоуглеродистые сплавы могут находиться в двух системах система Fe–Fe 3 C (железо–цементит) и система Fe –C (железо–углерод). Впервой системе компонентами сплавов являются железо и карбид железа, а во второй – железо и графит. Распад цементита, сопровождающийся выделением свободного углерода в виде графита, является процессом необратимым, так как при последующем нагреве цементит вновь не образуется. Следовательно, система Fe–Fe 3 C , в которой возможен необратимый распад цементита, не является полностью равновесной. Такая система называется метастабильной. Система Fe–C, в которой нет необратимых процессов, называется равновесной или стабильной. Однако во многих железо- углеродистых сплавах карбид железа очень устойчив не только в обычных условиях эксплуатации, но и при весьма значительном и длительном нагреве. Поэтому практически систему Fe–Fe 3 C в большинстве случаев можно считать условно равновесной. Такая диаграмма используется при изучении сталей и белых чугунов, те. таких сплавов, в которых нет свободного углерода. При изучении структур железоуглеродистых сплавов, в которых углерод находится в виде графита (серые, ковкие, высокопрочные чугуны, используется диаграмма Fe–C. Рассмотрим диаграмму Fe–Fe 3 C (железо–цементит) (рис. 40). Особенностью такой диаграммы является то, что концентрация углерода взята только до 6,67 %, что соответствует его содержанию в цементите (Fe 3 C ). Применяемые в практике железоуглеродистые сплавы содержат углерода не более 4…5 %, что меньше 6,67 %. Поэтому рассматривать диаграмму при содержании углерода более 6,67 % не имеет смысла. Сплавы, содержащие углерода до 2,14 %, называются сталями, а более 2,14 % – чугунами. 55 Ф ер ри т 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 ,0 2 ,0 3 ,0 4 ,0 5 ,0 6 ,0 0 ,8 2 ,1 4 4 ,3 6 ,6 7 1 3 9 2 Q P S O M 7 6 8 G Ф ер ри т + + ц ем ен т ит (т ре т ич ны й) А ус т ен ит + + ф ер ри т E А ус т ен ит А ус т ен ит + + ц ем ен т ит (в т ор ич ны й) Ф ер ри т + + пе рл ит Ц ем ен т ит (в т ор ич ны й) + + п ер ли т П ер ли т + + цементит (вторичный л ед еб ур ит А ус т ен ит + + цементит (вторичный + л ед еб ур ит С Ж ид ко ст ь + + а ус т ен ит Ж ид ко ст ь + + ц ем ен т ит (п ер ви чн ы й) Ц ем ен т ит (первичный + + л ед еб ур ит D F K L Ц ем ен т ит (первичный + + л ед еб ур ит 7 2 7 1 1 4 7 Ж ид ко ст ь + + ф ер ри т Ф ер ри т + + а ус т ен ит Ф ер ри т А B N J H Т , о С Ж ид ко ст ь C ,% 0 ,0 Рис Диаграмма состояния железо цементит. Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы Fe–Fe 3 C Компоненты сплавов. Основными компонентами железоуглероди- стых сплавов являются железо и углерод. Железо (лат. Ferrum) открыто в III тысячелетии до н.э., это химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 26, атомный радиус 0,127 нм, атомная масса 55,8; плотность 7,83 г/см 3 . Блестящий серебристо-белый металл с температурой плавления С. Широко распространено в природе, занимая второе место (после алюминия) среди металлов. Железо имеет аллотропные модификации (рис. 40), которые различаются по кристаллической структуре или по магнитным свойствам. При 57 Алмаз – диэлектрик, графит – хороший проводник электрического тока. Алмаз химически весьма стоек, графит при обычных условиях химически инертен, а при высоких температурах соединяется со многими элементами, является сильным восстановителем. а б Рис. 41. Кристаллические решетки а – алмаза б – графита Содержание углерода в земной коре 6,5·10 т. Значительное количество (около 10 т) входит в состав горючих ископаемых (уголь, природный газ, нефть и др, а также в состав углекислого газа атмосферы (6·10 т) и гидросферы (10 т. Простейшие соединения углерода (диоксид углерода, метан) обнаружены в атмосфере почти всех планет Солнечной системы. Так, атмосфера Марса состоит в основном из диоксида углерода. Все организмы растений и животных построены из соединений углерода (средняя массовая доля углерода – 18 %). Фазы системы Fe–Fe 3 C. Компоненты сплавов системы Fe–Fe 3 C образуют следующие фазы жидкий раствор углерода в железе (ж, феррит ф, аустенит (Аи цементит (ц. Феррит (от лат. Ferrum железо) – твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеющего ОЦК решетку. В ОЦК решетке имеются свободные места (так называемые поры) размерами 0,062 нм. Работы исследователей предполагают, что меньшая часть атомов углерода в кристаллической решетке Fe находится в порах, а большая – на дефектах решетки (вакансиях, дислокациях. Максимальная растворимость углерода в низкотемпературном феррите составляет 0,02 % при 727 С, а в высокотемпературном -феррите 0,1 % при 1499 С. При комнатной температуре феррит содержит 0,006 % углерода. В феррите могут быть растворены кремний, марганец, фосфор и другие элементы. При t = 911…768 С феррит парамагнитен, а от 768 С до абсолютного нуля – ферромагнитен. Феррит мягок, пластичен, имеет следующие свойства в = 250 МПа = 50 %; = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м 2 ; НВ 80. Микроструктура феррита представляет собой однородные зерна рис. 42). 58 Аустенит (от имени английского ученого Робертса-Аустена) – твердый раствор углерода и других элементов в -железе, имеющего ГЦК решетку. Эта решетка в центре имеет пору диаметром 0,102 нм в которой атом углерода с несколько большим размером (нм) может поместиться, вызывая увеличение параметров -решетки. При этом сам атом уменьшается в размерах, отдавая валентные электроны. Искажение решетки ведет к уменьшению остальных ее пор, которые становятся недоступными для других атомов углерода. На рис. 43 показана схема строения элементарной ячейки аустенита, в которой растворен один атом углерода. Углерод в аустените находится в виде атомов, ионизированных дважды. В тоже время атомы железа ионизированы однократно Рис. 42. Микроструктура феррита Рис. 43. Кристаллическая решетка аустенита – атомы железа – атом углерода Максимальная растворимость углерода в аустените при t = 1147 С равна 2,14 %. При снижении температуры растворимость уменьшается и при t = 727 С составляет 0,8 %. При t = 727 С вследствие аллотропического превращения Fe → Fe и очень малой растворимости углерода в -железе аустенит распадается с образованием механической смеси феррита и цементита. Аустенит немагнитен, обладает по сравнению с ферритом меньшим удельным объемом, пластичен ( = 40…50 %), имеет твердость НВ 160…200. Микроструктура аустенита приведена на рис. 44. Цементит химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe 3 C ), содержит углерода 6,67 %, плотность 7,82 г/см 3 Кристаллическая решетка цементита очень сложная и состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу (рис. 45). В вершинах октаэдров находятся атомы железа, каждый из которых принадлежит двум октаэдрам. Атом углерода находится в центре октаэдра. Рис. 44. Микроструктура аустенита, × 500 59 Характер связи между атомами железа и углерода не установлен. Однако в кристаллах цементита железо и углерод положительно ионизированны, благодаря чему Fe 3 C характеризуется некоторыми металлическими свойствами (электропроводность, металлический блеск. Температура плавления цементита около 1250 С) точно не установлена, так как в процессе нагрева он разлагается, что и искажает результаты измерений. Аллотропических превращений цементит не претерпевает, но при низких температурах он слабо ферромагнитен. Магнитные свойства теряются при t = 727 С. Цементит имеет высокую твердость (НВ > 800, царапает стекло, но очень низкую (практически нулевую) пластичность. Он способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы железа могут замещаться атомами других металлов (хрома, марганца, вольфрама, молибдена и др, а атомы углерода – неметаллами (азотом, кислородом, то есть образуется легированный цементит. Углерод в решетке цементита практически не растворяется. Цементит неустойчив и при определенных условиях распадается на железо и углерод в виде графита, что имеет очень важное практическое значение. В железоуглеродистых сплавах цементит может выделяться из жидкого раствора (в виде крупных равноосных зерен, из аустенита (в виде сетки по границам зерен) и из феррита (в виде очень мелких кристаллов по границам зерен. В первом случае цементит называется первичным Ц I ), во втором – вторичным (Цв третьем – третичным (Ц III ). Химические и физико- механические свойства всех трех типов цементита абсолютно одинаковы. Основные точки и линии диаграммы Fe–Fe 3 C. Приводимые на диаграмме буквенные обозначения точек являются общепринятыми в международной практике (см. рис. 40). Точка АС) соответствует температуре плавления чистого железа, а точка D (≈1250 С – приблизительной температуре плавления цементита. При температуре 1392 Сточка) происходят полиморфные превращения Fe ↔ Fe , а при t = 911 Сточка полиморфные превращения. Рис. 45. Кристаллическая решетка цементита – атомы железа – атомы углерода 60 Точка Р (727 С) соответствует максимальному содержанию углерода в -железе, а точка Е (1147 С) – максимальному содержанию углерода в -железе. При охлаждении аустенита с содержанием углерода 0,8 % в точке S (727 С) происходит его распад на механическую смесь феррита имеющего углерода) и цементита вторичного. Такая смесь называется перлитом (франц. perlite, от Perle жемчуг) и обозначается символом ПАП (Ф+ Ц II ) Следовательно, основными условиями образования перлита в желе- зоуглеродистых сплавах являются содержание углерода в аустените 0,8 % и температура 727 С. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей в = 800 …900 МПа, ≤ 16 %, НВ 180…220. При охлаждении жидкого расплава с содержанием углерода 4,3 % в точке С (1147 о С) образуется механическая смесь аустенита с содержанием углерода 2,14 % и цементита первичного. Эта смесь называется ледебуритом (от имени немецкого металлурга А. Ледебура) и обозначается индексом Л Л А+ Ц I ]. При t = 20…25 С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (НВ > 600) и хрупкости. Линии диаграммы представляют собой семейство критических точек, в которых происходят какие-либо превращения в железоуглероди- стых сплавах. Линии АВСД и NJECF – соответственно линия ликвидус и линия солидус, показывают температуры начала и конца кристаллизации жидких сплавов. При температурах, соответствующих линии HJB, происходит перитектическое превращение. Линия МО (768 С) указывает на температуру перехода феррита из магнитного состояния в немагнитное при нагреве и наоборот при охлаждении. Это превращение не относится к разряду фазовой перекристаллизации. Линии GS и PG соответствуют температурам начала и конца полиморфного превращения феррита в аустенит при нагреве и аустенита в феррит при охлаждении. Линии QP и SE указывают на предельную растворимость углерода в - и -железе. Линия ECF (1147 С) – семейство точек, при которых протекает эвтектическое превращение в сплавах. Эвтектика (от греч. eutektos – легко плавящийся тонкая механическая смесь твердых фаз, одновременно закристаллизовавшихся из расплава. При охлаждении сплава с содержанием углерода 4,3 % в точке С образуется чистая эвтектика – ледебурит. Этот сплав называют эвтектическим чугуном. Чугуны с содержанием углерода менее 4,3 % называются доэвтектическими, а при содержании более 4,3 % – заэвтектическими. 61 Линия PSK (727 С) – линия эвтектоидного превращения. Эвтектоид от эвтектика и греч. eidos – вид) аналогичная эвтектике структурная составляющая металлических сплавов, нов отличие от нее образующаяся не из жидкой, а из твердой фазы и потому имеющая более тонкое дисперсное строение. Так при охлаждении аустенита с содержанием углерода в точке S образуется эвтектоид – тонкодисперсная механическая смесь феррита и цементита вторичного, называемая перлитом. Такой сплав именуется эвтектоидной сталью. Стали, имеющие углерода менее 0,8 % называются доэвтектоидными, а более 0,8 % – заэвтекто- идными. Таким образом, в системе железо – цементит происходят три изотермических превращения – перитектическое превращение на линии HJB (1499 С) Ф н + Ж в → А – эвтектическое превращение на линии ECF (1147 С) Ж с → [А Е + Ц I ]; – эвтектоидное превращение на линии PSK (727 С) А (ФР+ Ц II ). Рассмотрим превращения в железоуглеродистых сплавах, которые происходят при медленном охлаждении от температуры плавления. 3.1.3. Перитектическое превращение Этот участок (левая верхняя часть диаграммы Fe-Fe 3 C ) представлен отдельно на рис. 46. а II I III V IV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 6 9 11 б Время ф T, о С 12 II 0,16 0,5 1499 0,1 I 1 2 А В III C,% N V 10 Н 3 J IV 4 5 11 6 14 13 7 8 9 1539 1392 А T, о С Рис. 46. Перитектическое превращение в железоуглеродистых сплавах а – часть диаграммы Fe-Fe 3 C; б – схемы кривых охлаждения сплавов 62 Из диаграммы видно, что кристаллизация сплавов с содержанием углерода до 0,5 % начинается по линии АВ (ликвидус. На перитектической горизонтали HJB происходит перитектическое превращение между жидкой фазой состава точки В (Ж) и ферритом точки Н (Ф. В результате образуется аустенит состава точки J (А. Это превращение наглядно демонстрирует сплав III (содержание углерода 0,16 %) кристаллизация которого начинается в точке 8. При температуре ниже этой точки из жидкого расплава выделяются кристаллы высокотемпературного феррита. По мере понижения температуры, концентрация углерода в феррите изменяется по линии АН, а в жидкой фазе – по линии В, в чем можно убедиться, используя правило отрезков. Кристаллизация заканчивается при температуре 1499 Сточка. Приданной температуре феррит достигает концентрации углерода 0,1 %, а жидкость – 0,5 %. В результате происходит перитектическая реакция, при которой обе фазы полностью израсходуются и образуется аустенит с содержанием углерода 0,16 %. Ф+ Ж АС пл а в II с содержанием углерода более 0,1 % и менее 0,16 % начинает кристаллизоваться в точке 5 с выделением кристаллов феррита. При достижении температуры 1499 Сточка) сплав состоит из высокотемпературного феррита с концентрацией углерода 0,1 % и жидкой фазы с концентрацией углерода 0,5 %. Между этими фазами происходит перитектическая реакция с образованием аустенита состава точки J (0,16 % С. Нов связи стем, что на перитектическую реакцию требуется количество феррита равное JВ/НВ (согласно правилу отрезков, а в сплаве содержится его больше (6В/НВ), то часть феррита сохранится и по окончании перитектического превращения сплав будет состоять из аустенита и избыточного феррита, который при дальнейшем понижении температуры до точки 7 перекристаллизуется в аустенит. Ниже точки 7 сплав будет состоять только из аустенита. Сплав с содержанием углерода более 0,16 % и менее 0,5 % начинает кристаллизоваться при температуре, соответствующей точке 10. Из жидкого сплава выделяются кристаллы высокотемпературного феррита. При температуре 1499 Сточка) в результате перитектической реакции образуется аустенит. Но так как на его образование требуется HJ /НВ жидкой фазы, а последней в сплаве содержится больше (Н11/НВ), то часть жидкой составляющей оказывается избыточной. В результате после перитектического превращения (точка 11) рассматриваемый сплав будет состоять из кристаллов аустенита и жидкой фазы, из которой при дальнейшем охлаждении до окончания кристаллизации точка 12) выделяются кристаллы аустенита. В твердом состоянии сплав IV имеет структуру аустенита. 63 Сплав перитектического превращения не претерпевает, так как содержание углерода в нем менее 0,1 %. Вначале кристаллизации точка) из расплава выделяются кристаллы высокотемпературного феррита. Кристаллизация заканчивается в точке 2. В интервале температур между точками 2 и 3 феррит охлаждается не претерпевая никаких превращений. Между температурами 3 и 4 происходит перекристаллизация по причине полиморфного превращения феррита в аустенит. Ниже температуры, соответствующей точке 4, сплав состоит только из аустенита. Сплав с содержанием углерода более 0,5 %. Такие сплавы перитектического превращения не претерпевают. Вначале кристаллизации точка 13) из расплава начинают выделяться кристаллы аустенита. Кристаллизация происходит в интервале температур, соответствующих точками. При этом кристаллы аустенита имеют различную концентрацию углерода (изменяющуюся по линии J14). Ниже температуры окончания кристаллизации (точка 14) структура рассматриваемого сплава состоит только из аустенита. Таким образом, все сплавы с содержанием углерода достали) после первичной кристаллизации имеют однофазную структуру – аустенит. 3.1.4. Эвтектоидное превращение Рассмотрим превращения, происходящие в сталях при медленном охлаждении. Часть диаграммы, относящаяся к этим сплавам, приведена на рис. 47. Перитектическая часть не показана, так как была рассмотрена ранее. II I III V IV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 19 S 13 Время K T, о С 12 II 0,02 0,8 911 0,006 I 1 2 А P III V 10 G 3 E IV 4 5 11 6 14 13 7 8 9 1539 600 2,14 Q 1147 727 15 S 16 17 18 19 C,% 15 S 16 17 18 19 T, о С Рис. 47. Часть диаграммы Fe-Fe 3 С до 2,14% С стали) и кривые охлаждения сплавов 64 Сплав с содержанием углерода менее 0,006 %. Сплавы с содержанием углерода менее 0,025 % называются технически чистым железом. Кристаллизация сплава I начинается при температуре, соответствующей точке 1 и заканчивается в точке 2 образованием аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса твердой (аустенит) по линии солидус. Поэтому кристаллы аустенита, образовавшиеся вначале процесса кристаллизации имеют концентрацию углерода меньшую по сравнению с кристаллами, образующимися при более низкой температуре, те. аустенит формируется с переменным составом по углероду. При очень медленном охлаждении в интервале температур между точками 2 и 3 происходит некоторое выравнивание состава за счет диффузии углерода. Однако этот процесс до температуры, соответствующей точке 3 (находящейся на линии GS) завершиться не успевает. Как отмечалось ранее, линия GS соответствует семейству критических точек в которых происходит смена решеток -железа в -железо. Если в железе углерод отсутствует, то переход Fe ↔ Fe совершается при температуре 911 Сточка. При наличии в железе углерода температура полиморфного превращения понижается по линии GS, а при концентрации 0,8 % (точка S) и более – по линии SK (727 С. Ниже этой температуры в углеродистых сталях Fe не существует. Следовательно, в рассматриваемом сплаве I в точке 3 начинается выделение кристаллов феррита в составе аустенита, причем первыми полиморфное превращение претерпевают решетки аустенита с меньшим содержанием углерода. Так как растворимость углерода в феррита очень мала (при температуре точки 3 менее 0,006 % – линия PG), то его излишки вытесняются из решетки Fe и за счет диффузии перераспределяются в оставшемся аустените, который при этой температуре может растворить углерода около 2 % (линия SE). Таким образом, переход аустенита в феррит происходит во всем объеме не сразу, а в интервале температур 3–4. Поскольку к окончанию перекристаллизации (точка 4) феррит не достигает предельной концентрации, то до полного охлаждения никаких фазовых превращений в нем происходить не будет. Сплав с содержанием углерода более 0,006 % и менее 0,02 %. От температуры начала кристаллизации (точка 5) и до температуры, соответствующей точке 8 в сплаве происходят процессы, аналогичные процессам, происходящим в сплаве I до линии PG. В результате структура состоит из чистого феррита. При охлаждении сплава до температуры фазовых превращений в нем не происходит, но размеры решетки Fe уменьшаются. Поэтому при температуре, соответствующей точке 9 наступает предельная растворимость углерода в Fe (линия QP). По этой причине при дальнейшем понижении температуры, углерод из решетки феррита вытесняется и идет на образование мелких кристаллов цементита третичного (Ц III ), который выделяется по границам зерен феррита. Этот цементит понижает пластичность низкоуглеродистой стали, что отрицательно сказывается при холодной штамповке. При ускоренном охлаждении выделение третичного цементита задерживается ион может не выделиться совсем. Сплавы с содержанием углерода более 0,02 %. Стали с указанным содержанием углерода характерны тем, что в них происходит эв- тектоидное превращение (линия PSK, 727 С. Эвтектоидное превращение состоит в распаде аустенита, содержащего 0,8 % Сточка) на смесь феррита состава точки P (0,02 % Си цементита вторичного (6,67 % С А Ф + Fe 3 C. Точка S называется эвтектоидной точкой, а сталь с содержанием углерода эвтектоидной сталью или перлитом (П. Стали с содержанием углерода до 0,8 % относятся к группе доэвтектоидных, а содержанием углерода более 0,8 % – к группе заэвтектоидных. Рассмотрим подробнее эвтектоидное превращение при образовании перлита в эвтектоидной стали. Сплав эвтектоидная сталь (С = 0,8 %). Кристаллизация сплава начинается при температуре соответствующей точке 14 и заканчивается в точке 15 с образованием аустенита. До температуры критической точки S (727 С) сталь не претерпевает никаких фазовых превращений. При температуре 727 Сточка) во всем объеме аустенита начинается эвтектоидное превращение, которое подчиняется общим законам кристаллизации и происходит путем образования центров кристаллизации феррита и цементита с последующим ростом кристаллов этих фаз. В связи стем, что углерод в аустените распределен неравномерно наличие флуктуаций) появление центров кристаллизации существенно облегчается. При этом ведущей фазой при превращении является цементит, зародыши которого возникают по границам зерен аустенита. Зародыши зерен цементита растут в форме тонких пластин, направленных вглубь зерен аустенита. Для роста пластинки цементита необходимо, чтобы к ней диффундировал углерод из соседних участков. В результате аустенит, расположенный около пластинки обедняется углеродом, перестраивается решетка (Fe ↔ Fe ), ив результате этого создаются условия для образования феррита. Следовательно, по обе стороны пластинки цементита растут пластинки феррита (риса. Рост пластинки феррита, ввиду малой растворимости в ней углерода, приводит к вытеснению излишков последнего в соседние участки аустенита, где образуется новая пластинка цементита. Семейство пластинок феррита и цементита составляет зерно перлита. Граница зерна 66 перлита сама становится поверхностью, от которой начинается формирование второго зерна (см. рис. 48, б. Значит, в пределах одного аусте- нитного зерна могут образовываться несколько перлитных зерен. Граница зерна аустенита Ц Ф Граница зерна аустенита Новое зерно перлита б а Рис. 48. Схема образования перлита а – образование первого зерна б – образование следующего зерна В результате превращения аустенита в перлит, образовавшийся феррит содержит углерода 0,02 % (соответствующее точки Р, см. рис. 47). При дальнейшем охлаждении эвтектоидной стали, такое количество углерода в феррите содержаться не может из-за ограниченной растворимости (линия QP). Поэтому излишки углерода, выделяясь из феррита, способствуют образованию цементита третичного. Этот цементит в структуре стали виден не будет, так как он присоединяется к цементиту, входящему в состав перлита. Таким образом, после полного охлаждения структура эвтектоидной стали (Сбудет состоять только из перлита П(Ф+Ц II ), структура которого имеет пластинчатое строение смеси феррита и цементита (рис. 49). Толщина пластинок феррита и цементита неодинакова. Пластинки феррита толще пластинок цементита в среднем враз. Очень важной характеристикой перлита служит межпластинчатое расстояние, которое равно суммарной толщине соседних пластин феррита и цементита или расстоянию между ближайшими пластинками одной фазы. При медленном охлаждении образуется крупнопластинча- тый перлит с межпластинчатым расстоянием 0,5…1,0 мкм. При увеличении скорости охлаждения образуется более тонкопластинчатый перлит. С уменьшением толщины пластин феррита и цементита увеличиваются твердость и прочность стали. Изменяя скорость охлаждения, можно получать перлит разной дисперсности, регулируя свойства стали в широком диапазоне. Рис. 49. Структура перлита, ×1000 67 Сплав доэвтектоидная сталь. Кристаллизация сплава происходит в интервале температур, соответствующих точками (см. рис. 47). Образовавшийся аустенит, с переменным составом по углероду, до критической точки 12 никаких фазовых превращений не претерпевает. В интервале температур 12–13 происходит превращение аустенита в феррит, вызываемое сменой решеток, причем первыми такое превращение претерпевают решетки с более низким содержанием углерода. Так как феррит содержит очень мало углерода, его излишки диффундируют в остающийся аустенит. Увеличение концентрации углерода в аустените можно проследить по линии GS, используя правило отрезков. По достижении сплавом температуры 727 Сточка) оставшийся аустенит насыщается углеродом до 0,8 % (точка S), то есть создаются условия для образования перлита. В результате аустенит распадается с образованием эвтектоида: А ПФ+ Ц II ). После эвтектоидного превращения структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. При дальнейшем охлаждении ввиду ограниченной растворимости углерода в феррите (линия QP) из него выделяется цементит третичный. После окончательного охлаждения структура сплава состоит из феррита, перлита и цементита третичного Ф + Ц III + ПФ+ Ц II + ЦВ связи стем, что количество третичного цементита незначительно, в структуре стали он невиден, так как присоединяется к цементиту, входящему в перлит. Структура доэвтектоидной стали приведена на рис. 50. Как видно из диаграммы, аналогичные превращения происходят ив любой другой доэвтектоидной стали при ее охлаждении. С увеличением содержания углерода в сплаве уменьшается количество ферритной фазы, а количество перлита увеличивается, что повышает такие механические свойства, как твердость, прочность и др. Сплав заэвтектоидная сталь. Образовавшийся в результате кристаллизации (между точками 16 и 17) аустенит до температуры, соответствующей точке 18 никаких фазовых превращений не претерпевает. При достижении критической точки 18 наступает предельная растворимость углерода (линия SE). При дальнейшем охлаждении сплава содержание углерода в аустените понижается, так как уменьшаются параметры всех решеток Fe . Рис. 50. Структура доэвтекто- идной стали (0,4 % С. Светлые зерна – феррит темные – перлит Поэтому в интервале температур 18–19 из аустенита выделяется углерод, который образует вторичный цементит, располагающийся по границам зерен. К температуре 727 Сточка) аустенит обедняется углеродом до концентрации 0,8 % (соответствующей точке S), чем создаются условия для эвтектоидного превращения А ПФ+ Ц II ). По окончании этого превращения структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и расположенного по границам зерен цементита вторичного. При дальнейшем охлаждении из-за ограниченной растворимости углерода в феррите (входящего в состав перлита) из него выделяется цементит третичный, который структурно не выявляется,сливаясь с цементитом вторичным в составе перлита. После окончательного охлаждения, структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и цементита вторичного, расположенного в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 51). Такую структуру будет иметь любая заэвтектоидная сталь. С увеличением содержания углерода количество вторичного цементита встали увеличивается. Максимальное количество вторичного цементита в заэвтектоидной стали с содержанием углерода 2,14 % составляет примерно 20 %. Таким образом, после полного охлаждения в равновесных условиях стали будут иметь следующие структуры – доэвтектоидные – Ф + ПФ+ Ц II ); – эвтектоидные – ПФ+ Ц II ); – заэвтектоидные – ПФ+ Ц II ) + Ц С увеличением встали содержания углерода растет количество це- ментитной составляющей как в составе перлита, таки в свободном состоянии. Это ведет к повышению твердости и прочности, но понижаются пластичность и вязкость. Углерод также влияет на технологические свойства стали. Увеличение содержания углерода приводит к снижению способности стали деформироваться в горячем и, особенно в холодном состоянии, ухудшает свариваемость. 3.1.5. Эвтектическое превращение Сплавы претерпевающие эвтектическую кристаллизацию с образованием ледебурита при температуре 1147 С содержат углерода более 2,14 % и относятся к белым чугунам. Белыми чугуны называются потому, что весь углерод в них находится в связанном состоянии (в виде цементита, и их излом светлый блестящий. Рис. 51. Структура заэвтектоид- ной стали (С = 1,2 %), × 200 69 Рассмотрим какие превращения происходят в белых чугунах при их охлаждении от температуры в жидком состоянии до комнатной. На рис. 52 приведена правая часть диаграммы Fe–Fe 3 C , соответствующая таким сплавам. II I III 1 2 3 4 5 6 7 4 C 3 Время K T, о С II 2,14 0,8 4,3 I 1 2 C D III E 3 F 4 5 6 7 6,67 Fe 1147 727 S C,% C T, о С 7 2 6 Рис. 52. Часть диаграммы Fe-Fe 3 C Си кривые охлаждения сплавов Сплав эвтектический белый чугун (С = 4,3 %) Сплав кристаллизуется при температуре 1147 Сточка С) с образованием эвтектики – ледебурита Ж Л А+ Ц I ]. Ледебурит представляет собой механическую смесь кристаллов аустенита с содержанием углерода 2,14 % и кристаллов цементита первичного (те. выделяющегося из жидкой фазы. При дальнейшем охлаждении чугуна в интервале температур 1147 Сточка Си Сточка) ограниченная растворимость углерода в аустените (линия SE) приводит к диффузии его излишков из решетки Fe и образованию цементита вторичного. Структура ледебурита изменяется и приобретает вид Л А + Ц I + Ц II ]. При достижении температуры 727 Сточка) аустенит обедняется углеродом до 0,8 % (точка S), и этим самым создаются условия для его эвтектоидного превращения. В результате аустенит, находящийся в составе ледебурита, распадается на эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного, и чугун приобретает следующую структуру Л ПФ+ Ц II ) + Ц I + Ц II ]. При дальнейшем охлаждении сплава, из-за ограниченной растворимости углерода в феррите из него выделяется цементит третичный, который структурно не выявляется. При окончательном охлаждении структура эвтектического белого чугуна состоит из ледебурита состава перлит + цементит первичный + цементит вторичный. 70 Сплав доэвтектический белый чугун (2,14 % < С < 4,3 %). Кристаллизация сплава начинается при температуре, соответствующей точке 1 с выделения из жидкой фазы кристаллов аустенита. При понижении температуры концентрация углерода в расплаве изменяется по линии ликвидус и к моменту окончания кристаллизации (1147 Сточка) достигает эвтектического состава (точка СВ результате оставшаяся жидкая фаза претерпевает эвтектическое превращение с образованием ледебурита. Окончательно закристаллизовавшийся сплав будет иметь следующую структуру А+ Л А+ Ц I ]. При дальнейшем понижении температуры, ввиду ограниченной растворимости углерода в аустените (линия SE), из него выделяется цементит вторичный. Причем это происходит как в свободных кристаллах аустенита, таки в аустените в составе ледебурита А + Ц II + Л А + Ц II + ЦК температуре 727 Сточка) аустенит обедняется углеродом до 0,8 % (точка S), чем создаются условия для эвтектоидного превращения. В результате такого превращения структура чугуна приобретает следующий вид ПФ+ Ц II ) + Ц II + Л ПФ+ Ц II ) + Ц II + Ц I ]. При дальнейшем охлаждении чугуна из феррита выделяется цементит третичный, который структурно не обнаруживается. Сплав заэвтектический белый чугун (4,3 % < С < 6,67 %). Кристаллизация этого сплава начинается в точке 5 с выделения кристаллов цементита первичного. При последующем охлаждении жидкая фаза обедняется углеродом по линии ликвидус (СД) и к моменту окончания кристаллизации (точка 6) достигает эвтектического состава (4,3 % Сточка СВ результате эвтектического превращения оставшейся жидкости сплав будет состоять из кристаллов цементита первичного и ледебурита Ц I + Л А+ Ц I ]. При дальнейшем понижении температуры до окончательного охлаждения чугуна кристаллы цементита первичного никаких превращений не претерпевают, а изменения в структуре ледебурита будут аналогичны изменениям, происходящим в сплавах I и II. Окончательно структура заэвтектического чугуна будет следующая Ц I + Л ПФ+ Ц II ) + Ц II + Ц I ]. Микроструктура белых чугунов приведена на риса б в Рис. 53. Микроструктуры белых чугунов а – доэвтектического, × 100; б – эвтектического, × 500; в – заэвтектического, × 500 При микроисследовании структур белого чугуна, особенно таких, в которых много ледебурита, различить вторичный и третичный цементит практически не представляется возможным, так как он сливается с эвтектическим цементитом. Обязательной структурной составляющей белых чугунов является ледебуритная эвтектика, которая отличается большой хрупкостью, а это вызывает хрупкость чугунов. Наиболее хрупок заэвтектический чугун, который кроме ледебурита имеет крупные хрупкие кристаллы первичного цементита. |