Технически чистое железо
СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗО — УГЛЕРОД
Лекция 7.
Железо обычно содержит примеси. Можно получить железо высокой степени чистоты 99,99 % и более. В большинстве случаев используют технически чистое железо (Армко-железо), содержащее 99,8...99,9 % Fе и 0,1...0,2% примесей. Температура плавления этого железа 1539 °С. Технически чистое железо известно в двух аллотропических модификациях Feα и Fе γ..
Модификация Feα существует в двух интервалах температур: ниже 911 °С и от 1392 до 1539 °С (см. рис. 4.9). С углеродом Feα образует твердый раствор внедрения, называемый ферритом. При 727°С растворяется до 0,025% С; с понижением температуры до комнатной растворимость углерода в Feα уменьшается до 0,002% (по некоторым данным, до 0,006%), а с повышением температуры до 911 °С—до ноля.
Феррит, который иногда принимают за технически чистое железо, при комнатной температуре имеет следующие механические свойства: σв = 300...350 МПа, σ0,2 = 120...150 МПа, δ = 45...50%, ψ = 65...70%, KCU=2,5..3,0 МДж/м2, НВ 90... 100.
|
|
Модификация Fеγ существует в интервале температур 911... 1392 °С. С углеродом Fеγ образует твердый раствор внедрения, называемый аустенитом. Он обладает высокой пластичностью, низким пределом текучести и прочности. Критическую точку на кривой нагрева железа, связанную с магнитным превращением, называют точкой Кюри и обозначают Ас2 , а точки, связанные с аллотропическими превращениями
Fеα → Fеγ при 911 °С, обозначают Ac3 и Fеγ → Fеα при 1392 oС —Aс4. При охлаждении эти точки соответственно обозначают Аr4, Аr3 и Ar 2 (см. рис. 4.9).
Чистое железо с углеродом образует еще химическое соединение — карбид железа Fе3С, который называют цементитом. Последний содержит 6,67 % С и имеет температуру плавления 1500 °С. Цементит имеет высокую твердость (НВ 750... 800) и практически не обладает пластичностью; при 217 °С и выше—немагнитен.
Цементит — неустойчивое химическое соединение и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита по следующей реакции: FезС → ЗFе+С.
Диаграмма состояния системы железо—углерод построена благодаря работам многих ученых. Начало этих работ относится к 1868 г., когда Д. К. Чернов впервые установил критические точки превращений в стали при нагреве. Он указал, что при температуре примерно 700 °С существует критическая точка а(A1), ниже которой сталь не принимает закалки, как бы быстро ее не охлаждали. Вторая критическая точка b(Аз) переменная и зависит от содержания углерода в стали.
Диаграмма, состояния системы железо—углерод (рис. 7.1) рассматривает сплавы, содержащие до 6,67 % С (до 100 % FезС). На диаграмме сплошные линии представляют состояние системы железо—цементит, а штриховые —системы железо—углерод. Это связано с тем, что углерод в сплавах может находиться в виде графита и в виде цементита. Точки А и D - температура затвердевания (плавления) соответственно чистого железа и цементита. Кривая АВСD—линия ликвидус, а кривая АН1ЕСF—линия солидус. Точка Е на линии солидус характеризует предельную растворимость углерода
|
|
0 10 20 30
Рис. 7.1. Диаграмма состояния системы Fе—С
(2,14%) в аустените при 1147 °С. Линия ЕСF— линия эвтектического превращения при 1147 °С, когда из жидкого сплава одновременно кристаллизуется эвтектика, состоящая из аустенита с предельной концентрацией углерода и цементита. Точки N и Q характеризуют аллотропические превращения соответственно Fеα ↔ Fеγ при 1392 °С и
Fеγ ↔ Fеα при 911 °С. Линия ЕS показывает уменьшение предела
растворимости углерода в аустените с 2,14 до 0,8 % при понижении температуры с 1147 до 727 °С. Линия GS характеризует начало превращения аустенита в феррит при понижении температуры с 911 до 727 °С и увеличении содержания углерода в сплаве с 0 до 0,8 %. Линия РG характеризует конец превращения аустенита в феррит. Точка Р свидетельствует о предельной растворимости углерода (0,025 %) в Fеα при 727 "С. На линии РSK происходит превращение аустенита при 727 °С в эвтектоид, состоящий из феррита и цементита. Линия РQ указывает на уменьшение растворимости углерода в Fеα при понижении температуры с 727 до 20 °С. Точка Q характеризует предельную растворимость углерода в Fеα при комнатной температуре (0,002% С).
Для упрощения изучения диаграммы состояния системы Fе—С не будем учитывать превращения, связанные с образованием феррита при высоких температурах (верхний левый угол диаграммы). При этом рассмотрим: 1) превращения, связанные с первичной кристаллизацией (эвтектические превращения); 2) превращения, связанные с вторичной кристаллизацией (эвтектоидные превращения).
Первичная кристаллизация
Рассмотрим процесс первичной кристаллизации сплавов (условно названных буквой К.) с разным содержанием углерода (рис. 7.2).
Сплав К.1, содержащий 1,2 %С, при охлаждении начинает затвердевать при температуре tI. Из жидкого сплава выпадают кристаллы аустенита. Состав первых кристаллов аустенита определяется точкой bo (примерно 0,3 % С). По мере понижения температуры количество твердой фазы увеличивается, при этом состав ранее выпавших и новых кристаллов аустенитаизменяется по линии солидус (АЕ), а жидкой фазы—по линии ликвидус (АС). Так, при температуре t2<t1 состав аустенита соответствует точке b1 (примерно 0,8% С), а состав жидкой фазы—точке а1 (примерно 2,2% С). При понижении температуры образуются новые кристаллы с большим содержанием углерода, а ранее выпавшие кристаллы аустенита продолжают расти, обогащаясь углеродом, т. е. наращиваемые слои на поверхности кристаллов содержат больше углерода,
Рис. 7.2. Первичная кристаллизация сплавов Fе—С
чем центральные. Это вызывает внутрикристаллическую, или дендритную, ликвацию. Вследствие протекания диффузионных процессов в выпавших кристаллах происходит частичное выравнивание состава. Однако этот процесс протекает медленно, и затвердевший сплав имеет внутрикристаллитную ликвацию.
При температуре t3, сплав полностью затвердевает, кристаллизуясь в аустенит с концентрацией примерно 1,2% С. Процесс первичной кристаллизации данного сплава закончен.
Соотношение между количеством жидкой и твердой фазы при первичной кристаллизации для любой температуры можно определить по правилу отрезков, или рычага: отношение отрезков при данной температуре (например, при t2), характеризующей в данный момент состав жидкой и твердой фаз, обратно пропорционально количеству жидкой Qж и твердой Qт фаз, т. е..
|
|
t2a1/t2b1 = Qт/Qж.
При затвердевании сплава К1 система имеет одну степень свободы (С=К+1— Ф,==2+1—2=1); это означает, что, изменяя температуру с t1 до t2, число фаз и равновесие системы не изменяются. Все сплавы, содержащие до 2,14% С, кристаллизуются аналогично. Эти сплавы называют сталью.
Сплав К11, содержащий 3 % С, при охлаждении начинает затвердевать при температуре t4,. Из жидкого сплава начинают выпадать кристаллы аустенита состава b2, (примерно 0,9% С). Состав твердой и жидкой фаз определится так же, как и для сплава K1. При температуре t5 состав твердой фазы определится точкой bз (примерно. 1,7% С), а жидкой—точкой а2 (примерно 3,7% С). При достижении температуры tэ (1147 °С) жидкая фаза, обогатившись углеродом (до 4,3%), окончательно затвердевает при одновременной кристаллизации из нее аустенита предельной концентрации углерода и первичного цементита, образуя эвтектическую смесь, называемую ледебуритом.
Таким образом, структура сплава К11 состоит из кристаллов аустенита, окруженных ледебуритом. Все сплавы, содержащие 2,14...4,3% С, затвердевают аналогично. Эти сплавы называют чугунами.
Сплав К111, содержащий 4,3 % С, кристаллизуется при постоянной температуре tэ = 1147 °С, образуя эвтектику (ледебурит), состоящую из аустенита предельной концентрации углерода и первичного цементита. Соотношение количества аустенита А и цементита Ц1. в ледебурите также определяется по правилу отрезков:
А/Ц1 = СF/ЕС.
При кристаллизации эвтектики одновременно существует три фазы: одна жидкая и две твердые {А+Ц1). Эта система является нонвариантной (безвариантной), так как С = К+1—Ф=2+1—3=0 и процесс кристаллизации происходит при постоянной температуре.
Сплав К.1У, содержащий 5 % С, при охлаждении начинает кристаллизоваться при температуре t6, когда из жидкого сплава выпадают кристаллы первичного цементита (Ц1}. Остающийся жидкий сплав обедняется углеродом, стремясь к эвтектическому составу. При температуре t7 состав жидкого сплава определяется точкой a3 (примерно 4,5% С), а состав твердой фазы постоянен (6,67 % С). При понижении температуры до tэ (1147 °С) жидкая фаза достигает эвтектической концентрации и кристаллизуется в эвтектику, состоящую из аустенита и цементита. Процесс первичной кристаллизации сплава Кiv закончен. Структура сплава Кiv состоит из кристаллов первичного цементита, окруженных ледебуритом. Все сплавы, содержащие более 4,3 % С, кристаллизуются аналогично. Эти сплавы также относят к чугунам.
|
|
Таким образом, после первичной кристаллизации структура всех- сплавов (сталей) с содержанием до 2,14 % С состоит из аустенита; структура сплавов (чугунов) с содержанием до 4,3% состоит из избыточного аустенита и ледебурита (эти чугуны называют доэвтектическими); структура чугуна с содержанием 4,3 % С состоит из ледебурита (эвтектический чугун); структура чугуна, содержащего более 4,3 % С, состоит из первичного цементита и ледебурита (эти чугуны называют заэвтектическими).
Вторичная кристаллизация.
При понижении температуры с 1147 до 727 °С (рис. 7.3) в сплавах железо—углерод происходят превращения, связанные с уменьшением предела растворимости углерода в аустените (при содержании в сплаве больше 0,8% С) и с переходом аустенита в феррит (при содержании в сплаве меньше 0,8 % С).
В сталях, содержащих более 0,8 % С, при понижении температуры до 727о С происходят превращения, с выделением углерода из аустенита по линии ЕS в виде вторичного цементита (в отличие от первичного, кристаллизую-
щегося из жидкой фазы); структура таких сталей состоит из двух фаз (А+Ц11).
В сталях, содержащих менее 0,8 % С, при понижении температуры ниже 911°С вторичная кристаллизация начинается на линии GS и заканчивается на линии РSК при 727 °С. При этом аустенит полностью распадается на феррит и вторичный цементит. Превращение при постоянной температуре, когда одна твердая фаза (А) одновременно выделяет две твердых фазы (А → Ф + Ц11), называют эвтектоидным. Продукт эвтектоидного распада аустенита, состоящий из феррита и вторичного цементита (Ф+ Ц11), называют перлитом. Эвтектоидное превращение аустенита иногда называют перлитным превращением.
В результате вторичной кристаллизации структура чугунов также
Рис. 7.3. Вторичная кристаллизация сплавов Fе —С.
изменяется. В эвтектическом чугуне при понижении температуры с 1147 до 727 °С из аустенита, входящего в состав эвтектики, выделяется вторичный цементит, который обычно в структуре не обнаруживается, так как он объединяется с первичным цементитом. При 727 °С аустенит содержит 0,8 % С и превращается в перлит, т. е. ниже 727 °С.ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита.
В доэвтектическом чугуне в интервале температур 1147... 727 °С из структурно-свободного аустенита выделяется вторичный цементит, и структура чугуна состоит из А+Ц11+Л. Вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, объединяется с первичным цементитом. При 727 °С структурно-свободный аустенит и аустенит эвтектики, содержащий 0,8 % С, превращаются в перлит, и структура доэвтектического чугуна ниже 727 °С состоит из П+Ц11+Л.
Аналогичные превращения аустенита эвтектики происходят в заэвтектических чугунах; структура таких чугунов ниже 727 °С состоит из первичного цементита и ледебурита.
Рассмотрим процесс вторичной кристаллизации сталей (условно названных буквой К) с разным содержанием углерода.
Сталь КV, содержащая 0,8 % С, при температуре выше 727 °С состоит из аустенита. При 727 °С аустенит превращается в перлит (смесь феррита и вторичного цементита). Структура стали с содержанием 0,8 % С ниже 727 °С состоит из перлита. 112
Сталь KV1, содержащая 0,3 % С, при охлаждении до температуры t1 претерпевает фазовое превращение, связанное с переходом А—>Ф, причем состав первых кристаллов феррита определяется точкой b1 (примерно 0,01% С). При дальнейшем понижении температуры состав феррита изменяется по линии РG, а состав аустенита—по линии GS. При температуре t2 кристаллы феррита содержат примерно 0,025 % С (точка b2), а в аустените содержание углерода повышается примерно до 0,5% (точка а1). При дальнейшем понижении температуры состав аустенита стремится к эвтектоидному (0,8% С), а состав феррита — к предельной концентрации углерода в Fеα (0,025 % С). При температуре эвтектоидного превращения (727 °С) аустенит превращается в перлит, состоящий из феррита и вторичного цементита. Структура стали при температуре ниже 727 °С состоит из кристаллов феррита и перлита. Такую структуру имеют все доэвтектоидные стали с содержанием 0,025...0,8 % С.
Сталь К.1, содержащая 1,2 % С, рассматривалась при первичной кристаллизации. При температуре tз аустенит оказывается перенасыщенным углеродом, который при дальнейшем понижении температуры выделяется в виде второй структурной составляющей — вторичного цементита. Следовательно, заэвтектоидные стали в интервале температур 1147...727 °С имеют двухфазную структуру (А+Ц11). Снижение растворимости углерода в аустените происходит по линии ЕS. Так, при температуре t4, аустенит содержит примерно 1 % С (точка а2). При понижении температуры до 727 °С аустенит достигнет эвтектоидной концентрации углерода (0,8 % С) и превратится в перлит. Структура заэвтектоидной стали при температуре ниже 727 °С состоит из перлита и вторичного цементита (П+Ц11).
При понижении температуры с 727 °С до комнатной растворимость углерода в феррите (в структурносвободном или в составе перлита) уменьшается по линии РQ, (см. рис. 7.3), так как при этих температурах феррит оказывается пересыщенным углеродом. Избыточный углерод выделяется из феррита в виде третичного цементита. Эту структурную составляющую можно обнаружить и следует учитывать в сталях с содержанием до 0,025 % С; при большем содержании углерода выделением третичного цементита можно пренебречь, так как его количество настолько мало, что практически в структуре он не обнаруживается и не оказывает влияния на механические свойства стали.
Таким образом, после вторичной кристаллизации стали при температуре ниже 727оС имеют следующую структуру: доэвтектоидные – феррит и перлит, эвтектоидные перлит и заэвтектоидные – перлит и вторичный цементит.