Диаграмма состояний сплавов железо-цементит

Категория:
Металлы


Диаграмма состояний сплавов железо-цементит

Несколько большая сложность диаграммы состояний сплавов Fe — Fe3C по сравнению с изученными вызвана наличием у железа аллотропических модификаций.

Вглядевшись в диаграмму, можно без труда заметить, что она представляет собой сочетание двух диаграмм четвертого типа. Первая диаграмма включает в себя линии ACD, AECF и SE. Вторая — линии GOSE, GMPSK и QP. К той и другой диаграмме полностью приложимы все общие закономерности, изученные для диаграммы А1 — СиА12.

Следует помнить, что выше линии ACD находится область жидких растворов, которые при медленном (равновесном) охлаждении и кристаллизации испытывают фазовые превращения в соответствии с правилом фаз и правилом отрезков. Точно такое же положение наблюдается и для второй диаграммы с той лишь разницей, что выше линии GOSE находится область не жидких, а твердых растворов, которые при дальнейшем охлаждении ниже линии GOSE кристаллизуются вновь и испытывают фазовые превращения, подчиняясь тем же закономерностям, что и жидкие растворы.

Наблюдая за поведением сплава при движении фигуративной точки вниз из положения 1 в положение 9, можно видеть, что ордината сплава I пересекает линии, принадлежащие двум диаграммам III типа. Другими словами, сплав дважды претер* певает принципиально сходные фазовые превращения: при высоких температурах — кристаллизацию жидкого раствора L с превращением его в твердый раствор у, а при более низких температурах — новую кристаллизацию, но не жидкого, а твердого раствора у с превращением его в другой твердый раствор а.

Прежде чем проделать систематический разбор фазовых превращений сплавов, необходимо условиться относительно названий отдельных фаз, возникающих при превращениях и образующих те или иные структурные составляющие. Целесообразно принять также метод краткого обозначения отдельных фаз и структурных составляющих.

Прежде всего следует указать, что на диаграмме имеются три области однофазных состояний сплавов:
1) область жидких растворов, обозначаемых буквой L
2) область твердых растворов углерода или цементита в высокотемпературной модификации железа FeT. Твердый раствор углерода в Fe7 обозначают греческой буквой у и называют аусте-нитом. Как видно из диаграммы, область аустенита или у-раст-вора ограничена линией AESOGA. Растворимость углерода в аустените изменяется от нуля до предельно высокой, составляющей 2,0% С при температуре 1130° (точка Е);
3) область твердых растворов углерода или цементита в низкотемпературной модификации железа Fe«. Эти твердые растворы обозначают греческой буквой а и называют ферритом. Растворимость углерода в феррите меняется от нуля до0,025%С при температуре 723° (точка Р).

Из сравнения предельных растворимостей видно, что Fe« способно растворить углерода гораздо меньше, чем FeT.

Феррит магнитен до 768°, при более высоких температурах он утрачивает магнитность. Линия МО разделяет на диаграмме области существования магнитного и немагнитного феррита.

Все прочие области диаграммы характеризуют двухфазное состояние сплава. В этих областях могут одновременно присутствовать (сосуществовать) либо жидкий раствор с раствором у, либо раствор у с раствором а (обозначается у + а), либо один из этих трех растворов с цементитом FesC, который при достаточных концентрациях углерода способен выделиться как из жидкого, так и из обоих твердых растворов.

Три фазы ни в одной из областей диаграммы сосуществовать не могут. Наличие трех фаз типично только для сплавов, соответствующих точкам С и S и горизонталям, на которых они находятся. Точка С является обычной эвтектической точкой, в которой жидкий раствор концентрации 4,3% С при температуре ИЗО0 превращается в эвтектику, т. е. распадается на две фазы: твердый раствор у предельной насыщенности 2,0% С и цементит. Эвтектический сплав и любой сплав, содержащий эвтектику, в процессе кристаллизации при постоянной температуре находится 0 трехфазном состоянии. Полностью затвердевшая эвтектика находится при температуре 1130° в двухфазном состоянии и представляет собой тесную механическую смесь твердого раствора у, содержащего 2% С, и цементита.

Эвтектика в различных сплавах и, в частности, в системе Fe — Fe3C представляет собой одну из типичных частей структуры сплава (структурную составляющую) с характерными, ей присущими чертами: определенным составом (4,3% С), определенной и наиболее низкой температурой плавления (1130°) и характерным строением тесной механической смеси двух фаз.

Полную принципиальную аналогию с указанным представляет точка 5, которая в отличие от эвтектической называется эвтектоидной точкой.

Эвтектоид в железоуглеродистых сплавах часто именуют перлитом (вследствие радужного отлива при рассмотрении в травленном виде, что напоминает перламутр.

Кроме цементита, содержащегося в эвтектике и в эвтектоиде и называемого соответственно, эвтектическим или эвтектоидным, в сплавах может присутствовать цементит, выделившийся из идких заэвтектических сплавов и называемый первичным, цементит, выделившийся из заэвтектоидных твердых растворов у и называемый вторичным (обозначение РезСц), и, наконец, выделившийся из твердых растворов а, содержащих углерода более 0,006%, и называемый третичным.

Эти разновидности цементита образуются при различных условиях кристаллизации и обладают резко различным внешним видом как по сравнению друг с другом, так и по сравнению с эвтектическим и эвтектоидным цементитом. Поэтому их принято различать как самостоятельные структурные составляющие. Однако, присутствуя вместе, все эти структурные разновидности цементита образуют одну, а не несколько фаз, так как их физические и химические свойства одинаковы.

Теперь, руководствуясь правилом фаз и правилом отрезков, а также соображениями и способом обозначения, изложенными выше, можно описать поведение нескольких типичных сплавов при охлаждении или при нагреве.

Принято делить железоуглеродистые сплавы на несколько групп в зависимости от содержания углерода. Мы рассмотрим: сплавы (стали) доэвтектоидные (от 0 до 0,8% С), эвтектоидные (0,8% С), заэвтектоидные (от 0,8 до 2% С), а также сплавы (чу-гуны) доэвтектические (от 2 до 4,3% С), эвтектические (4,3% С) и заэвтектические (от 4,3 до 6,67% С).

Отметим, что среди доэвтектоидных сталей полезно выделить подгруппу малоуглеродистых сплавов с содержанием углерода эт 0 до 0,025% С, с которой мы и начнем изучение диаграммы.

Сплавы I и II при охлаждении из области жидких растворов до комнатных температур и обратном нагревании подчиняются принципиально тем же закономерностям, что и сплавы А1 — CuA12 с содержанием меди <5,5% и поэтому здесь подробно не рассматриваются.

Сплавы / и II в соответствии с упрощенной диаграммой (рис. 35), охлаждаясь от точки / до точки 4 в согласии с диаграммой III типа, переходят из жидкого раствора L в твердый раствор у (аустенит). Понижение температуры от точки 4 до точки 6 означает для сплавов I и II простое охлаждение до линии GOS, когда у твердый раствор также в соответствии с общими закономерностями диаграммы III типа начинает выделять из себя твердый раствор а (феррит). Как кристаллизация из жидкого раствора L, так и кристаллизация из твердого раствора f подчиняются правилу отрезков.

Кристаллизация сплавов / и // из области у заканчивается полным превращением аустенита в феррит. При пересечении ординатами сплавов I и II линии переменной растворимости PQ из твердого раствора а (феррита) выделяется цементит, именуемый третичным и обозначаемый Fe3Cm. Отметим еще, что а твердый раствор (феррит), образующийся ниже линии GOS, становится магнитным при температуре 768° в процессе охлаждения, и при той же температуре теряет магнитность в процессе нагрева.

Рис. 1. Иллюстрации превращений в доэвтектоидной стали: а — применение правила рычага в случае перлитного превращения аусте-нита; б — кривая охлаждения; в — участок диаграммы

Для сплавов, насыщенных углеродом сверх 0,025%, например С = 0,4% (рис. 36,а), согласно правилу рычага в феррит превратится только часть аустенита, в то время как сохранившийся аустенит, постепенно обогащаясь углеродом, при охлаждении до горизонтали PSK достигнет эвтектоидной концентрации (0,8% С). Этот аустенит далее сохраняться не может и при температуре 723° претерпевает превращение по реакции эвтек-тоидного распада. При этом образуется эвтектоид (перлит), представляющий тесную механическую смесь кристаллитов двух фаз: феррита предельной насыщенности ссоде и цементита Fe3C.

Указанное превращение аустенита в перлит может быть кРатко изображено следующим образом: т08-> (а0025 + Fe3C)0>8.

Этой реакцией все сплавы с содержанием С >0,025% отличаются от сплавов с концентрацией С <0,025%.

Ввиду практической важности сплава III, как типичного Редставителя широко применяемых сталей доэвтектоидного состава, разберем этот случай сравнительно подробно, начиная с точки 5, лежащей в аустенитной области.

Следовательно, при комнатных температурах сплав будет состоять нз избыточного феррита с 0,006% С, перлита — эвтек-тоида с 0,8% С, представляющего тесную механическую смесь феррита и цементита, а также небольших количеств третичного цементита, выделившегося как из феррита избыточного, так и из феррита эвтектоидного.

Ввиду малых количеств Fe3Cin и малого влияния его на свойства доэвтектоидных сталей о нем иногда вовсе не упоминают и считают, что медленно охлажденная доэвтектоидная сталь состоит из избыточного феррита и перлита. Термическая кривая при охлаждении этого сплава из аустенитной области до комнатных температур представлена на рис. 1,б.

Фазовые превращения в соответствии с ходом термической кривой можно проследить по диаграмме состояний, расположенной на рис. 1,е.

Рассмотрим эти превращения.

При охлаждении до температуры а однородный твердый раствор f (ъустенит) насыщается железом, избыток которого начинает выделяться в виде феррита состава, соответствующего точке Ь. Это выпадение избыточного феррита продолжается в интервале температур ad и сопровождается выделением теплоты кристаллизации, что вызывает изменение наклона (перелом) в ходе термической кривой (участок ad термической кривой).

Поскольку аустенит (у08) в процессе выдержки dd’ при 723° превращается в перлит, постольку в сплаве с 0,4% С после окончательного охлаждения будет иметься по 50% феррита и перлита по весу, а также и по объему. Последнее объясняется наблюдающимся практическим равенством удельных весов феррита и перлита. Площади, занимаемые на микрошлифе ферритом и перлитом, пропорциональны их объемам и весам. Имея микрофотографию медленно охлажденной стали С = 0,4%, можно убедиться в примерном равенстве площадей, занимаемых т°и и другой структурной составляющей.

Менее углеродистые стали будут содержать относительно больше феррита, более углеродистые — относительно больше перлита.

Рис. 2. Структуры доэвтектбидных сплавов Fe—Fe3C: а) С = 0,025%, б) С = 0,15%, в) С = 0,4%, г) С = 0,64%.

Из изложенного следует, что, пользуясь правилом рычага, можно решить две задачи:
1) по содержанию углерода заранее определить относительные количества феррита и перлита в структуре медленно охлажденной доэвтектоидной стали;
2) по микроструктуре доэвтектоидной стали определить соотношение площадей, занимаемых ферритом и перлитом, а следовательно, установить химический состав (содержание углерода) в этой стали.

Структуры ряда доэвтектоидных сталей с различным содержанием углерода приведены на рис. 2.

Сплав эвтектоидного состава с содержанием углерода 0,8% отличается от сплава III тем, что в первом весь аустенит полностью сохраняется до температуры 723° без распада. Превращение аустенита происходит при эвтектоидной температуре с образованием перлита. Поэтому все превращения в этом сплаве при охлаждении из области аустенита (точка 5) можно изобразить следующим образом.

При комнатной температуре в сплаве эвтектоидного состава С = 0,8% наблюдается присутствие чистого эвтектоида — перлита с содержанием углерода 0,8%. Третичный цементит Fe3C ш, образующийся из эвтектоидного феррита в процессе его охлаждения ниже температуры 723°, обычно во внимание не принимается, так как он выделяется на кристаллитах Fe3C эвтектоида.

Рис. 3. Структуры эвтектоидной и заэвтектоидной стали: а) С = 0,8%, б) С = 1,2%.

Заэвтектоидные сплавы характерны тем, что у них в избытке против эвтектоидного состава оказывается не феррит, как это имело место в доэвтектоидных сплавах, а цементит. Поэтому при охлаждении из аустенитной области до линии SE (точка Аст) любой заэвтектоидный сплав оказывается пересыщенным углеродом и при дальнейшем охлаждении выделяет его в виде цементита. Этот цементит, выделяемый аустенитом, как было указано ранее, называется вторичным и обозначается Fe3Cn. Превращения в сплаве V при охлаждении из области аустенита выглядят следующим образом:

Структура заэвтектоидного сплава при комнатных температурах состоит из перлита и вторичного цементита. Третичный це-ентит, не обнаруживаемый при микроскопическом анализе, во внимание обычно не принимается.

Структура сплава V представлена на рис. 3,б, где видны итектоидная пластинчатая смесь феррита и цементита (перлит) э выделения вторичного цементита в виде сетки по границам бывших зерен аустенита.

Иногда перлитную смесь, возникшую в объеме прежнего аустенитного зерна, называют зерном перлита.

Отметим в заключение, что, используя почти точное равенство плотностей перлита и цементита, мы имеем принципиальную возможность определять по соотношению площадей пер-аита и вторичного цементита химический состав заэвтектоидной стали. Однако высокая насыщенность цементита углеродом (6,67%) приводит к тому, что даже при относительно небольших неточностях определения площадей по микроструктуре возникают ошибки, практически обесценивающие указанную возможность.

Чугуны доэвтектические (2,0—4,3% С), эвтектический (4,3% С) и заэвтектические (4,3—6,67% С)

Чугуны отличаются от сталей присутствием эвтектики, со стоящей в конце кристаллизации (при температуре 1130°) из сме си аустенита с 2,0% С и цементита и обозначаемой Fe3C)4,3

В доэвтектическом чугуне наряду с эвтектикой при темпе ратуре 1130° присутствует первичный аустенит с 2,0%С (у20)

В заэвтектическом чугуне кроме эвтектики имеется еще пер вичный цементит Fe3C, .

Чугун эвтектический завершает кристаллизацию, образуя чи стую эвтектику без свободного первичного аустенита или пер вичного цементита.

В чугунах всех типов кристаллизация первичной фазы и об Разование эвтектики полностью подчиняются правилу отрезков

Рис. 4. Структуры чугунов: а) доэвтектического; б) эвтектического; в) заэвтектического. Ув.: а) и б) 250; в) 200

Здесь крупные темные дендритные образования представ ляют собой первичные выделения аустенита у20 при охлажде нии распавшегося с образованием перлита и вторичного цемен тита.

Бело-черная кружевного вида составляющая является цемен титной эвтектикой (ледебуритом), претерпевшей преэращение аустенита “f20 с образованием перлита (темные округлые вклю чения) и вторичного цементита, как это описано для точки 6 сплава VI.

Эвтектический чугун — сплав VII (С = 4,3%) отличается от сутствием первичных выделений, в нем имеется только распавшийся ледебурит в виде бело-черной составляющей (рис. 39,6)

Заэвтектнческий чугун (от 4,3 до 6,67% С)

Рассмотрение фазовых превращений в заэвтектических чугу-нах не проводится и представляется в качестве самостоятельной работы читателям. Следует лишь оговорить, что в заэвтектиче-ском чугуне из жидкого раствора L с началом кристаллизации будет выделяться первичный цементит Fe3C,. Структура заэв-тектического чугуна представлена на рис. 39,е.

Превращения в железоуглеродистых сплавах при нагреве также не рассматриваются. Это может быть проделано читателями самостоятельно. Следует только иметь в виду, что процессы превращения в критических точках при нагревании по сравнению с процессами при охлаждении протекают в обратном направлении. Так, например, если эвтектоидный сплав в процессе охлаждения при 723° претерпевает превращение аустенита в перлит, то при нагреве в этой же точке перлит превращается в аустенит.

Важнейшие превращения в железоуглеродистых сплавах

В заключение отметим еще раз, что линии диаграммы Fe — Fe3C показывают температуры (критические точки), при которых в сталях протекают фазовые превращения. Большин ство этих точек имеет общепринятые буквенные обозначения. Важнейшими превращениями в доэвтектоидной стали являются:
а) магнитное превращение цементита, происходящее в критической точке А о = 210°;
б) полное растворение третичного цементита в феррите при нагревании и начало образования при охлаждении по линии PQ;
в) превращение перлита в аустенит при нагревании (и обратное превращение при охлаждении), происходящее в точке Aci (Агх) на линии PSK;
г) магнитное превращение в феррите, происходящее в точке Ас2 (Аг3) на линии МО;
д) полное растворение феррита в аустените при нагревании, ооисходящее в точке Ас3, и начало выпадения феррита из аустенита в точке Аг3 на линии GOS при охлаждении.

Наибольшее значение для термической обработки доэвтек-тоидных сталей имеют превращения в точках Ах и Л3, протекающие как при нагревании, так и при охлаждении. В эвтектоидной стали оба эти превращения как бы сливаются и протекают при одной температуре.

В заэвтектоидных сталях наибольшее значение для термической обработки имеют перлитное превращение и превращение, связанное с получением чистого аустенита за счет растворения вторичного цементита, что происходит в точке, обозначаемой Аст как при нагреве, так и при охлаждении.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум