Лекция 7. Диаграмма состояния с полиморфным превращением на примере системы железо-углерод, основные фазы

Тема 6. Система сплавов Fe –C

Основные фазы. Превращения в железоуглеродистых сплавах при нагреве и охлаждении. Углеродистые стали. Критические точки в сталях. Влияние содержания углерода на механические свойства сталей. Влияние примесей на эксплуатационные свойства сталей. Хладноломкость сталей. Чугуны;(6ч)

 

Лекция 7. Диаграмма состояния с полиморфным превращением на примере системы железо-углерод, основные фазы.

 

Железоуглеродистые сплавы (стали и чугуны) важнейшие металлические сплавы современной техники.

Представление о строении сплавов железоуглеродистых сплавов дает диаграмма системы Fe – C, начало изучения, которой было положено работами Д.К. Чернова в 1868 году.

Железо в твердом состоянии может находиться в двух полиморфных модификациях: Fe_α

 с ОЦК решеткой (к.ч.=8; к.к.=0,68) и Fe_γ с ГЦК решеткой (к.ч.=12; к.к.= 0,. Диаграмма 74).

Ниже 910 ºC и выше 1392 ºC устойчиво α-железо с ОЦК решеткой. В интервале температур 910-1392 ºC устойчиво γ-железо с кристаллической решеткой ГЦК (рис.7.1).

 

Рис.7.1. Кривая нагрева – охлаждения железа

Железо при 768ºC испытывает магнитное превращение. Выше 768ºC железо становится немагнитным.

Углерод образует с железом твердые растворы внедрения. Растворимость углерода в железе зависит от кристаллической модификации железа.

 Диаметр поры кристаллической решетки ОЦК (свободное место в середине ребер) равен 0,062нм, что значительно меньше, чем диаметр поры решетки ГЦК, равной 0,102нм, а диаметр атома (иона) углерода-0,154нм. Поэтому α-железо способно растворять углерод в очень малом количестве, а растворимость углерода в γ-железе существенно больше.

Железо не только растворяет углерод, но и образует с ним химическое соединение цементит (Fe₃C).

 В системе железо-углерод возможно присутствие следующих фаз: жидкой фазы, твердых растворов на базе Fe_α (феррита) и на базе Fe_γ (аустенита), химического соединения Fe₃C (цементита).

  Феррит (Ф)- твердый раствор внедрения углерода в Fe_α.. При 727 ºC наблюдается максимальная растворимость углерода в феррите, составляющая 0,02%; при 20 ºC в феррите растворяется около 0,006% С. Высокотемпературная модификация Fe_α.(называется Feδ) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^o С (точка J). Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Область феррита на диаграмме состояния железо-углерод расположена левее линии GPQ и AHN.

  Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ. Растворимость углерода в аустените зависит от температуры. При 1147 ºC аустенит может растворять до 2,14 %С, при 727 ºC – 0,8%С. Область аустенита на диаграмме – NJESGN.

  Цементит (Ц) – карбид железа Fe₃C, в котором содержится 6,67 %С. Температура плавления цементита 1252 ºC. Обладает высокой твердостью (8000 МПа НВ), легко царапает стекло. Цементит очень хрупок, имеет практически нулевую пластичность, сложную орторомбическую решетку с плотной упаковкой атомов.

 Диаграмма состояния железо-углерод приведена на рис.3.2.

Линия ABCD- линия ликвидус, линия AHJECF – солидус. Точка А соответствует температуре плавления железа (1539 ºC), точка D – температуре плавления цементита (1252ºC). Точки N и G соответствуют температурам полиморфного превращения железа.

Рис. 7.2. Диаграмма состояния системы Fe – C

Три горизонтальные линии на диаграмме Fe – C (рис.2) – HJB, ECF и PSK указывают на протекание нонвариантных реакций.

При 1499ºC (линия HJB) протекает перитектическая реакция:

Жв + Фн↔ Аj

По линии ECF при 1147 ºC происходит эвтектическое превращение:

Ж_с ↔ А_{Е +} Ц_F.

 Образующая эвтектика называется ледебуритом.

  Ледебурит (Л)- механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3%С.

 По линии PSK при 727 ºC происходит эвтектоидное превращение:

A_S↔Ф_Р+Ц_К,

 В результате которого из аустенита, содержащего 0,8%С, образуется механическая смесь феррита и цементита. Эвтектоидное превращение происходит аналогично кристаллизации эвтектики, но не из жидкости, а из твердого раствора. Образующийся эвтектоид называется перлитом.

  Перлит (П) – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8%С. Зерно перлита состоит из параллельных пластинок цементита и феррита, на травленом шлифе напоминает перламутр, отсюда и называется – перлит.

Аустенит, входящий в состав ледебурита, при 727 ºC также испытывает эвтектоидное превращение. Поэтому ниже 727 ºC ледебурит состоит из механической смеси перлита и цементита.

 На рис.7.3 приведены кривые охлаждения сплавов: 0,02; 0,5; 0,8; 1,7; 3,5; 4,3; 5,5%С.

 Сплав 1, содержащий менее 0,02%С, фактически, представляет собой технически чистое железо. Точка 1 соответствует началу кристаллизации аустенита, точка 2 – окончанию кристаллизации. При охлаждении от точки 2 до точки 3 никаких превращений в образовавшемся аустените не происходит.

В точке 3 начинается, а в точке 4 заканчивается перестройка кристаллической решетки аустенита (ГЦК) в кристаллическую решетку феррита (ОЦК). При охлаждении в интервале температур 3-4 состав аустенита меняется по линии GS, а состав феррита – по линии GP. От точки 4 до точки 5 превращений не происходит, образовавшийся феррит просто охлаждается. Линия PQ соответствует линии переменной растворимости.

Ниже этой линии сплав пересыщен углеродом, происходит выделение избыточного углерода, образующего химическое соединение с железом, т.е. цементит. При охлаждении цементит выделяется непрерывно, и концентрация углерода в феррите уменьшается по линии PQ, составляя при комнатной температуре <0,006%С. Цементит, выделяющийся из феррита, называется третичным цементитом и обозначается Ц_Ш.

 Рис.7.3 Кривые охлаждения сплавов: 0,02; 0,5; 0,8; 1,7; 3,5; 4,3; 5,5%С.

 

Сплав II содержит 0,5%С. Образование кристаллов аустенита происходит в интервале температур 1-2. Состав аустенита изменяется по линии солидус АЕ, состав жидкой фазы по линии ликвидус АС. В точке 2 кристаллизация аустенита заканчивается, и от точки 2 до точки 3 структурных изменений в нем не происходит, аустенит просто охлаждается. В точке 3 начинается выделение феррита из аустенита. Концентрация углерода в феррите изменяется по линии GP, а концентрация углерода в аустените – по линии GS. При охлаждении сплава до точки 4 состав аустенита будет соответствовать точке S, т.е. эвтектоидному составу. При температуре 727 ºC произойдет эвтектоидное превращение с образованием перлита A_S↔Ф_Р+Ц_К. При комнатной температуре структура сплава состоит из феррита и перлита.

 Количество перлита в структуре увеличивается по мере роста содержания углерода в сплаве вплоть до концентрации 0,8%С.

Сплав Ш, содержащий 0,8%С, по составу соответствует точке S. Аустенит сплава с такой концентрацией углерода не испытывает превращения при охлаждении до 727 ºC, а при этой температуре весь аустенит превращается в перлит. При комнатной температуре структура сплава состоит из одного перлита.

Концентрация углерода в сплаве IV составляет более 0,8%С, но менее 2,14%С. До точки 3 превращения в этом сплаве такие же, как в сплавах П и Ш. При охлаждении в диапазоне температур между точками 3-4 из кристаллической решетки аустенита выделяется избыточный

углерод с образованием вторичного цементита Ц_П. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии ES. На линии PSK при температуре 727 ºC происходит эвтектоидное превращение, при котором аустенит превращается в перлит. Поэтому при комнатной температуре структура сплава состоит из перлита и вторичного цементита.

 Сплавы V, VI, VII содержат более 2,14%С. При первичной кристаллизации таких сплавов происходит эвтектическое превращение, в процессе которого из жидкости, содержащей 4,3%С, образуется ледебурит – механическая смесь двух твердых фаз: аустенита и цементита.

 В сплаве V кристаллизация начинается в точке 1 выделением аустенита из жидкого раствора и заканчивается в точке 2. При охлаждении в интервале между точками 1 и 2 состав аустенита изменяется по линии солидус, а концентрация углерода в жидкой фазе - по линии ликвидус. В точке 2 при 1147 ºC состав жидкости соответствует точке С, т.е. жидкость имеет концентрацию углерода, равную 4,3%С. Количественное соотношение жидкой и твердой фаз в точке 2 определяется соотношением отрезков Е и С. При 1147 ºC происходит эвтектическое превращение Ж_с↔А_{Е +} Ц_F. При дальнейшем охлаждении в интервале 2-3 из аустенита, как структурно свободного, так и входящего в эвтектику (ледебурит), выделяется вторичный цементит. Состав аустенита изменяется по линии ES, т.е. от 2,14 до 0,8%С. В точке 3 происходит перлитное превращение аустенита, содержащего 0,8%С. Структура сплава V при комнатной температуре состоит из из перлита и ледебурита. Вторичный цементит и цементит ледебурита сливаются и практически не различимы.

 В сплаве VI, содержащем 4,3%С, при эвтектической температуре вся жидкость превращается в ледебурит. При понижении температуры содержание углерода в аустените, входящем в ледебурит, понижается по линии ES. При 727 ºC происходит перлитное превращение аустенита.

 В сплаве VII кристаллизация начинается с образования кристаллов цементита. Такой цементит называется первичным. Первичный цементит выделяется из жидкости при охлаждении в интервале температур 1-2. Состав жидкости при этом меняется по линии ликвидус и в точке 2 жидкость содержит 4,3%С. Количественное соотношение жидкой и твердой фаз в точке 2 определяется соотношением отрезков Е2 и С2. При 1147 ºC происходит эвтектическое превращение. Аустенит образовавшегося ледебурита при охлаждении испытывает превращения, рассмотренные выше. При комнатной температуре структура сплава VII состоит из ледебурита и первичного цементита.

 На свойства сплавов оказывает большое влияние различие в размерах и расположении выделений цементита. Цементит первичный выделяется при высоких температурах непосредственно из жидкой фазы. Его кристаллы – крупные. Цементит вторичный выделяется из аустенита при достаточно высоких температурах и высокой скорости диффузии. Поэтому цементит вторичный образуется в виде сетки по границам зерен. Цементит третичный выделяется из феррита при сравнительно низких температурах обычно внутри зерен в виде дисперсных включений. Эти включения увеличивают прочность феррита.

 

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо - цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret - остановка):

А₁ - линия PSK (7270С) - превращение П А;

A₂ - линия MO (7680С, т. Кюри) - магнитные превращения;

A₃ - линия GOS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение Ф → А;

A₄ - линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение;

Acm - линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е, при охлаждении - букву r.

 Сплавы системы железо-углерод по структурному признаку делят на две группы: углеродистые стали и белые чугуны.

Углеродистые стали содержат от нескольких сотых % до 2 %С и заканчивают кристаллизацию образованием аустенита.

Белые чугуны содержат более 2,14%С и заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики – ледебурита.

Структура и свойства сталей. Влияние содержания углерода на механические свойства сталей. Понятие о хладноломкости.