Наличие двух высокоуглеродистых фаз (графита и цементита) приводит к появлению двух диаграмм состояния: метастабильной − железо-цементит и стабильной − железо-графит. Свободная энергия цементита всегда больше, чем свободная энергия графита.
Кристаллические структуры цементита и аустенита близки, тогда как кристаллические структуры аустенита и графита существенно различаются. По составу аустенит и цементит ближе друг к другу и составу жидкой фазы, чем аустенит и графит (аустенит содержит до 2,14 % С, цементит − 6,67 % С, жидкая фаза − от 2,14 до 6,67 % С, графит – 100 % C). Поэтому образование цементита из жидкости или из аустенита происходит легче, работа образования зародыша, как и необходимые диффузионные изменения, меньше в случае кристаллизации цементита, чем при кристаллизации графита, несмотря на меньший выигрыш свободной энергии.
Диаграмма состояния железо-цементит приведена на рис.4.1.
АВСВD (линия ликвидус − место точек начала кристаллизации) и AHJECF (линия солидус − место точек конца кристаллизации) характеризуют начало и конец первичной кристаллизации, происходящей при затвердевании жидкой фазы.
Рис.4.1 Диаграмма состояния железо-цементит
Линии ES и PQ показывают предельную растворимость углерода, соответственно, в аустените и феррите. При понижении температуры растворимость уменьшается и избыток углерода выделяется в виде цементита. Цементит, выделяющийся из жидкого сплава, принято называть первичным, из аустенита − вторичным, из феррита − третичным.
Три горизонтальные линии HJB, ECF и РSК указывают на протекание трех превращений при постоянной температуре:
− при 1499 °С (HJB) происходит перитектическая реакция ЖB +ФН → AJ, в результате которой образуется аустенит;
− при 1147 °С (ECF) протекает эвтектическая реакция ЖC → АE + Ц (жидкость, состав которой соответствует точке С, превращается в эвтектическую смесь аустенита, состав которого соответствует точке Е, и цементита, называемую ледебуритом);
− при 727 °С (PSK) протекает эвтектоидная реакция A → ФР + Ц (в отличие от эвтектики, образующейся из жидкости, эвтектоид возникает из твердых фаз). Продукт превращения − эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом.
Перлит чаще имеет пластинчатое строение, т. е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. После специальной термической обработки перлит может иметь зернистое строение.
− жидкий расплав (Ж) − выше линии АВСD;
− феррит (Ф) – области ANH и GPQ;
− аустенит (А) − область JESGN.
Двухфазные области диаграммы:
− AHB − в равновесии находится жидкий расплав и кристаллы δ-феррита;
− NHJ − в равновесии кристаллы δ-феррита и аустенита;
− JECB − в равновесии жидкий расплав и кристаллы аустенита;
− CDF − в равновесии жидкий расплав и кристаллы цементита;
− SECFK − в равновесии кристаллы аустенита и цементита;
− GSP − в равновесии кристаллы аустенита и α-феррита;
− QPSKL − в равновесии кристаллы феррита и цементита.
Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С, называют техническим железом.
Сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 до 2,14 % С носят название сталей (от 0,02 до 0,8 % С − доэвтектоидные стали, от 0,8 до 2,14 % С − заэвтектоидные стали).
Сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14 до 6,67 %С называются чугунами (от 2,14 до 4,3 % С – доэвтектические чугуны, от 4,3 до 6,67 % С − заэвтектические чугуны).
В двухфазных областях в любой точке можно определить количество фаз и их концентрацию, используя правило отрезков. Например, определим химический состав и количество фаз для сплава системы железо-цементит в точке а, находящейся в области GSP (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Использование правила отрезков для анализа диаграммы
В этой области структурные составляющие феррит и аустенит. Проведем горизонтальную линию через точку а до пересечения с линиями GP (точка b) и GS (точка с). Проекция точки b (b’) указывает химический состав феррита, а проекция точки с (с’) – состав аустенита.
Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих различное количество углерода. При анализе кристаллизации доэвтектоидной стали проведем для примера расчет числа степеней свободы по формуле:
где с – число степеней свободы;
k – количество компонентов;
Кристаллизация доэвтектоидной стали, содержащей более 0,51 % С (рис. 4.3), начинается в точке 1, где в жидкой фазе зарождаются первые зерна аустенита, и заканчивается в точке 2. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус BС, а аустенита − по линии солидус JE.
Между точками 1 и 2 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – жидкость и аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита.
Между точками 2 и 3 идет охлаждение аустенита, и число степеней свободы с = 2 – 1 + 1 = 2 (два компонента – железо и углерод, одна фаза – аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры.
Между точками 3 и 4 происходит превращение аустенита − выделяя низкоуглеродистый феррит, аустенит обогащается углеродом в соответствии с линией GS и в точке 4 концентрация углерода в нем достигает эвтектоидной − 0,8% С, и число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – аустенит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры.
При постоянной температуре 727 °С (площадка 4–4′) происходит эвтектоидное превращение аустенита в мелкодисперсную механическую смесь феррита и цементита, называемую перлитом (A → ФР + Ц). В точке 4 число степеней свободы с = 2 – 3 + 1 = 0 (два компонента – железо и углерод, три фазы – аустенит, феррит и цементит), что подтверждает выделение перлита при постоянной температуре.
При дальнейшем охлаждении до точки 5 происходит выделение из феррита избыточного углерода (в связи с понижением растворимости по линии диаграммы PQ) в виде третичного цементита. Между точками 4′ и 5 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – феррит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. Конечная структура Ф + П + ЦIII (феррито-перлитная).
Количественное соотношение между ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода (чем выше содержание углерода, тем больше перлита).
Кристаллизация зазвтектоидных сталей (рис. 4.4) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава аустенита и заканчивается в точке 2. Состав жидкого расплава изменяется по линии BС, а аустенита − по линии JE. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита.
Рис.4.3. Процесс кристаллизации Рис.4.4. Процесс кристаллизации
доэвтектоидных сталей зазвтектоидных сталей
При дальнейшем охлаждении от точки 2 до точки 3 структурных превращений сталь не претерпевает, идет простое охлаждение. В интервале точек 3–4 происходит выделение вторичного цементита в связи с уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. При медленном охлаждении цементит выделяется по границе аустенитных зерен. Состав аустенита изменяется согласно линии ES и в точке 4 при температуре 727 °С аустенит содержит 0,8% С.
На линии SK (на кривой − площадка 4–4′) происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит.
При дальнейшем охлаждении ниже точки 4′ из феррита, входящего в перлит, выделяется третичный цементит. Третичный цементит, наслаиваясь на кристаллы вторичного цементита и цементита перлита, не оказывает заметное влияние на свойства. Поэтому при рассмотрении структур заэвтектоидных сталей о третичном цементите обычно не упоминают. Конечная структура П + ЦII + ЦIII (перлито-цементитная).
Кристаллизация доэвтектических чугунов (рис. 4.5) начинается в точке 1, где при последующем охлаждении происходит выделение из жидкой фазы кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которого определяется линией JE , а жидкого расплава − линией ликвидус BС. В точке 2 содержание углерода в расплаве достигает 4,3 % и при постоянной температуре 1147 °С оставшийся расплав кристаллизуется в эвтектику (дисперсную смесь аустенита, содержащего 2,14 % С, и цементита), называемая ледебуритом LC → АE + Ц. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение.
При дальнейшем охлаждении (участок 2–3) аналогично заэвтектоидной стали из аустенита (структурно свободного и входящего в состав ледебурита) выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита. Аустенит при этом обедняется углеродом и при температуре 727 °С приобретает состав, соответствующий эвтектоидному.
В точке 3 начинается эвтектоидное превращение аустенита в перлит при постоянной температуре 727 °С (площадка 3–3′). Перлит образуется из структурно свободного аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита. Ледебурит, состоящий из смеси цементита и перлита, носит название видоизмененного ледебурита Лвид (П + Ц) в отличие от ледебурита состава Л (А + Ц).
При дальнейшем охлаждении от точки 3′ до точки 4 происходит выделение избыточного углерода из феррита, входящего в перлит и видоизмененный ледебурит, в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита и ледебурита. Третичный цементит не влияет на свойства чугунов из-за незначительного количества, по сравнению с общим количеством цементита в чугунах. Конечный состав доэвтектического чугуна П + Лвид + ЦII (перлито-ледебурито-цементитная).
Кристаллизация заэвтектических чугунов (рис. 4.6) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава первичного цементита. При этом состав расплава изменяется по линии DC. Выделяя высокоуглеродистую фазу − цементит, расплав обедняется углеродом и при температуре 1147 °С содержит 4,3 % С. При постоянной температуре расплав кристаллизуется с образованием ледебурита.
Рис.4.5. Процесс кристаллизации Рис. 4.6. Процесс кристаллизации
доэвтектических чугунов заэвтектических чугунов
При дальнейшем охлаждении (площадка 2–3) из аустенита, входящего в ледебурит, выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита, и состав аустенита изменяется по линии ES .
При достижении температуры 727°С аустенит (площадка 3–3′), содержащий 0,8 % С, превращается в перлит A → ФР + Ц и образуется видоизмененный ледебурит.
При дальнейшем охлаждении от точки 3′ до точки 4 из феррита, входящего в состав перлита видоизмененного ледебурита, выделяется избыточный углерод согласно кривой РQ в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита. Конечная структура заэвтектического чугуна Лвид + ЦI + ЦII (ледебуритно-цементитная).
Таким образом, у всех сталей, содержащих менее 2,14 % С, в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита, а после затвердевания не содержится хрупкой структурной составляющей − ледебурита; у всех чугунов, содержащих более 2,14 % С, структура первичной кристаллизации состоит из ледебурита с первичным аустенитом или цементитом, а при комнатной температуре структура состоит из видоизмененного ледебурита, цементита и, у доэвтектического чугуна, перлита.
Стали при высоком нагреве имеют аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью, поэтому они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах.
Чугуны обладают лучшими литейными свойствами, в том числе более низкой температурой плавления и имеют меньшую усадку.
Наиболее распространенными металлическими материалами являются сплавы железа и углерода – стали и чугуны. В сталях содержится менее 2,14%С, а в чугунах – более 2,14%С. Диаграмма железо – углерод показывает фазовый состав и структуру железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов).
Рассмотрим компоненты системы железо – углерод и их взаимодействие.
Компоненты – вещества, образующие систему:
1. Железо – металл сероватого цвета, температура плавления 1539 ºС, плотность 7,68 г/см 3 . Железо имеет четыре модификации: α, β, γ и δ.
При температурах ниже 911ºС кристаллическая решетка железа – объемно центрированный куб (ОЦК). Эту модификацию называют α-железо. До температуры 768 ºС (точка Кюри) α-железо магнитно, выше – немагнитно. Его называют β – немагнитным или β – железом.
При нагреве железа объемно центрированная кубическая решетка при 911 ºС перестраивается в гранецентрированную кубическую (ГЦК). Эта модификация существует до 1392 ºС и называется γ-железом.
Выше 1392°С и до температуры плавления вновь устойчивой является ОЦК решетка – δ-железо.
2. Углерод – неметаллический элемент, плотность 2,5 г/см 3 , температура плавления 3500 ºС. В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме графита.
Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, может образовывать химическое соединение – цементит.
Практическое значение имеет часть диаграммы от железа до цементита (рис. 6), называется также диаграммой железо – цементит (Fе – Fe3C).
Фазы. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую строение, состав и свойства изменяются скачкообразно. В системе железо – углерод различают следующие фазы: жидкий расплав, феррит, аустенит, цементит; рассмотрим подробнее.
1. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе (рис. 5,а).
| а |
Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, а также в вакансиях, на дислокациях и т.д. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: при комнатной температуре (точка Q) – 0,006 %, максимальную – 0,02 %С при температуре 727 o С (точка P). В высокотемпературном феррите максимальное содержание углерода (0,1%) наблюдается при температуре 1499°С (точка Н диаграммы).
Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок и пластичен, магнитен до 768 o С.
| б |
При 0,006 %С: sв = 250 МПа, s0,2 = 120 МПа, d = 50%, 80–100НВ.
2. Аустенит – твердый раствор углерода в g-железе (рис. 5,б).
Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. Предельная растворимость углерода в g-железе– 2,14% при температуре 1147 ºС (точка Е).
3. Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe3C.
В цементите содержится 6,67% (концентрация углерода при изменении температуры остается неизменной, в отличие от твердых растворов). Имеет сложную ромбическую решетку. Цементит – неустойчивое химическое соединение и в определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.
Цементит самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов (твердость ≈ 800 НВ, δ=0%).
В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.
4. Жидкий расплав. Углерод растворяется в железе в жидком состоянии, образуя однородный жидкий расплав.
ABCD – линия ликвидус, ниже которой происходит кристаллизация сплавов.
AHJECF – линия солидус, линия окончания кристаллизации.
При содержании углерода в сплаве менее 0,51% кристаллизация начинается с выделения d-феррита; при 0,51 1 2
Дата добавления: 2016-10-26 ; просмотров: 29402 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Диаграмма состояния – фундамент понимания сталей
Изучение микроструктуры всех сталей обычно начинают с рассмотрения метастабильной диаграммы состояния железо-углерод (Fe-C) (рисунок). Ее также называют диаграммой состояния железо-цементит (железо-карбид железа). Эта диаграмма дает фундамент для понимания структуры и фазового состава как углеродистых, так и легированных сталей, а также различных термических обработок, которым они подвергаются. См., например, «работу» диаграммы состояния или, может быть, правильнее фазовой диаграммы, при кристаллизации стали в статье «Литая структура стали«.
Рисунок – Метастабильная диаграмма состояния показывает какие фазы можно ожидать в стали при различных комбинациях содержания углерода и температуры. Иногда ее называют диаграммой состояния железо-цементит.
Растворимость углерода в аустените и феррите
В низкоуглеродистом левом крае метастабильной диаграммы железо-углерод мы видим феррит (альфа-железо), который имеет максимальную растворимость 0,022 % при температуре 727 °C и аустенит (гамма-железо), который растворяет 2,11 % углерода при температуре 1148 °C. Видно, что область аустенита (гамма-железа) намного больше по сравнению с областью феррита (альфа-железа). Это ясно указывает на значительное большую растворимость углерода в аустените с максимумом 2,11 % при температуре 1148 °C.
Упрочнение углеродистых сталей, как и многих других сталей, основано именно на этой разнице в растворимости углерода в альфа-железе (феррите) и гамма-железе (аустените).
В богатой углеродом стороне метастабильной диаграммы Fe-C мы находим цементит (Fe3C). Меньший интерес, за исключением высоколегированных сталей, представляет дельта-феррит при самых высоких температурах.
Однофазные области диаграммы
Подавляющее большинство сталей имеет только две аллотропических формы железа:
- альфа-железо с объемноцентрированной кубической (ОЦК) атомной решеткой и
- гамма-железо с гранецентрированной кубической (ГЦК) атомной решеткой.
При комнатной температуре ОЦК феррит является устойчивым от температуры 912 °C (точка А3), при которой он превращается в ГЦК аустенит. Аустенит превращается обратно в феррит при температуре 1394 °C (точка А4).
Этот высокотемпературный феррит называют дельта-ферритом, несмотря на то, что его кристаллическая структура идентична той, что у альфа-феррита. Дельта-феррит остается устойчивым до того, как он расплавляется при температуре 1538 °C.
Двухфазные области диаграммы
Области со смесью двух фаз (таких как «феррит + цементит», «аустенит + цементит» и «феррит + аустенит» находятся между однофазными областями. При самых высоких температура находятся область жидкой фазы, а ниже ее – двухфазные области – «жидкость + аустенит», «жидкость + цементит» и жидкость + дельта-феррит». При термической обработке сталей всегда избегают возникновения жидкой фазы.
Стальной участок диаграммы
«Стальной» участок диаграммы состояния железо-углерод расположен в интервале содержания углерода от 0 до 2,08 %, а «чугунный» участок – от 2,08 до 6,67 % углерода.
«Стальной» участок диаграммы железо-углерод удобно делить по содержанию углерода на три части:
- доэвтектоидное — от 0 до 0,77 % С;
- эвтектоидное — 0,77 % С и
- заэвтектоидное – от 0,77 до 2,11 % С.
Эвтектоидное превращение
Очень важное фазовое превращение метастабильной диаграммы состояния железо-углерод происходит при 0,77 % углерода. Это превращения является эвтектоидным, а его продукт называется перлитом (феррит + цементит):
Гамма-железо (аустенит) —> альфа-железо (феррит) + Fe3C (цементит)
Критические температуры стали
Наиболее важные границы однофазных областей имеют специальные названия, Они включают (в международных обозначениях):
- А1 – эвтектоидная температура, которая является минимальной температурой для аустенита;
- А3 – низкотемпературная граница аустенита при низком содержании углерода (граница между областями «гамма-железо» и «гамма-железо + феррит»);
- Асm – противоположная граница аустенитной области при высоком содержании углерода (граница между областями «гамма-железо» и «гамма-железо + цементит).
Иногда к обозначениям этих температур добавляют буквы c, e и r, например, Ас1, Ас3 и Аccm. Буква с обозначает, что фазовые превращения происходят при нагреве, буква e – при равновесии фаз, а буква r – при охлаждении.
Влияние легирования на критические температуры
При добавлении в железо-углеродистый сплав (сталь) легирующих элементов положение границ А1, А3 и Аcm, а также эвтектоидное содержание углерода изменяются. В общем случае элементы, которые стабилизируют аустенит (никель, марганец, азот, медь) снижают температуру А1, тогда как элементы, которые стабилизируют феррит (хром, кремний, алюминий, титан, ниобий, молибден, вольфрам) повышают температуру А1.
Эвтектоидный перлит
Содержание углерода, при котором аустенит имеет минимальную температуру, называется эвтектоидным содержанием (0,77 % углерода по массе для случая метастабильной диаграммы состояния). Смесь ферритной и цементитной фаз при этом составе углерода, которая образуется при медленном охлаждении имеет характерную пластинчатую структуру, которую называют перлитом. Перлит представляет собой совокупность чередующихся пластин феррита и цементита. Эти пластины после выдержки при температуре близкой к А1 огрубляются («сфероидизируются») в цементитные частицы, распределенные в ферритной матрице.