Пример анализа кристаллизации сплава

Рассмотрим кристаллизацию конкретного сплава I с концентрацией углерода в железе 0,3 % (см. приложение 1, рис. 1). Проведем вертикальную линию фигуративных точек, характеризующую разрез диаграммы для этого сплава. Начиная с жидкой фазы обозначим все точки пересечений линий фигуративных точек с характерными линиями диаграммы (точки 1-7) и последовательно рассмотрим все фазовые и структурные превращения этой доэвтектоидной стали в зависимости от температуры.

В точке 1 сталь находиться в жидком состоянии и компоненты неограниченно растворяются друг в друге. При этой температуре существует только одна фаза – жидкий раствор (L).

При достижении точки 2, лежащей на линии солидус и соответствующей температуре плавления данной стали, в системе создаются условия для начала кристаллизации, так как уровни свободной энергии Гиббса для жидкой и твердой фаз становятся равны друг другу Gтв = Gж. Это состояние устойчивое и может существовать неограниченно долгое время. Для того чтобы кристаллизация началась необратимо, необходимо некоторое переохлаждение системы на величину ΔТ (степень переохлаждения), которая зависит от скорости охлаждения. При данных условиях чуть ниже точки 2 кристализация системы начинается необратимо с образованием кристаллов твердой фазы в виде зерен δ-феррита.

От точки 2 до 3 в системе существует две фазы – жидкая L и твердая δ-феррит. Соотношение фаз при любой температуре можно определить по правилу отрезков, проведя горизонтальную линию (коноду), соответствующую выбранной температуре. Процентное соотношение компонентов в каждой фазе можно определить по шкале концентраций, спроектировав на нее точку, соответствующую анализируемой фазе. При уменьшении температуры от точки 2 до точки 3 количество жидкий фазы уменьшается по линии ликвидус АВ в сторону точки В, а количество твердой фазы вырастает по линии солидус АН в сторону точки Н.

В точке 3, лежащей на линии перетектической реакции, происходит перетектическое превращение:

L_B + Ф_H А_I

Перетектическое превращение сопровождается полиморфным и часть кристаллов δ-феррита с решеткой ОЦК превращается в фазу аустенита (А) с решеткой ГЦК. В точке 3, лежащей на линии солидус, кристаллизация заканчивается и ниже ее исчезает последняя капля жидкой фазы.

От точки 3 до точки 4 в системе также существует две фазы в виде твердых кристаллов δ-феррита и аустенита, причем с понижением температуры количество аустенита возрастает. В точке 4 полиморфное превращение заканчивается и в системе остается только одна фаза – аустенит, которая без каких – либо превращений остывает до точки 5.

В точке 5 начинается второе полиморфное превращение и часть кисталлов аустенита начинает преобразовываться в кристаллы α-феррита с решеткой ОЦК. Между точками 5 и 6 в системе существует две твердые фазы, причем количество аустенита уменьшается по линии GS в сторону точки S, а количество α-феррита возрастает по линии GP в сторону точки P.

В точке 6, лежащей на линии эвтектоидных реакций, происходит эвтектоидное превращение:

As Ф_Р + Ц

В результате эвтектоидного превращения образуется структурная составляющая стали – перлит, имеющая пластинчатое строение в теле одного зерна, состоящая из чередующихся пластин α-феррита и цементита.

Ниже точки 6 структура данной стали формируется полностью и представляет собой зерна перлита, отороченные по границам избыточной фазой α-феррита, образовавшейся в интервале температур от точки 5 до точки 6.

От точки 7 до точки 8 в процессе охлаждения растворимость углерода в α-феррите падает (от 0,02% до 0,008%), в связи с чем образуется дополнительная порция третичного цементита, что утолщает пластины цементита в перлите. В результате после полного остывания структура рассматриваемой стали будет представлять собой зернистый перлит отороченный по границам избыточной фазой α-феррита. Причем чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем меньше в структуре избыточного феррита, который полностью исчезает при эвтектоидной концентрации.

Рассмотрим кристаллизацию заэвтектоидной стали (Сплав II на рис. 1, приложение) с содержанием углерода 1,2 %. В точке 1 сталь находится в жидком состоянии, компоненты неограниченно растворимы друг в друге. При охлаждении стали до температуры, соответствующей точке 2, лежащей на линии ликвидус, создаются условия для начала кристаллизации. Уровень свободной энергии жидкой и твердой фазы становятся равными. Для того, чтобы начался процесс кристаллизации необходимо переохлаждение стали на величину DТ, которая зависит от скорости охлаждения. Таким образом, при переохлаждении ниже точки 2 жидкая фаза, которая начинает кристаллизоваться с образованием аустенита (g - фаза). Этот процесс продолжается по мере охлаждения стали до точки 3, лежащей на линии солидус. К этому моменту вся жидкая фаза превращается в аустенит.

В процессе охлаждения от точки 3 до точки 4 никаких превращений не происходит, в стали существует одна фаза – аустенит. Ниже точки 4 предельная растворимость углерода в аустените, которая определяется линией ES, меньше, чем его содержание в g - фаза, поэтому при охлаждении сплава от температуры точки 4 до температуры точки 5 из аустенита выделяется углерод, образующий при взаимодействии с железом вторичный цементит.

В точке 5, соответствующей температуре 727°С и лежащей на линии PSK, происходит эвтектоидное превращение, то есть аустенит по составу соответствующей эвтектоидной точке S превращается в перлит, который представляет собой смесь a - феррита, соответствующего по составу точке Р и цементита:

As Ф_Р + Ц

Таким образом ниже точке 5 структура сплава состоит из зерен перлита по границам которых, располагаются пластинки вторичного цементита.

В процессе охлаждения от точки 5 до точки 6 уменьшается предельная растворимость углерода в a - феррите, входящем в перлит от точке Р (0,02 % С) до точки Q (0,006%C), что является причиной образования дополнительной порции третичного цементита в перлите при этом происходит утолщение цементных пластин.

После полного остывания структура заэвтектоидной стали представляет собой зерна перлита и пластинчатые выделения вторичного цементита по границам зерен. И чем больше содержание углерода в заэвтектоидной стали, тем больше количество вторичного цементита в ней.