Змістовий модуль 4. Залізовуглецеві сплави

Лекція №18 : Діаграми стану залізо – цементит. Фази у системі.

План

3. Дві системи залізовуглецевих сплавів

4. Цементит

5. Ферит

6. Аустеніт

Діаграма стану «залізо-цементит» наведено фазовий склад і структура сплавів з концентрацією вуглецю від 0 до 6,67%.

Область перитектичного перетворення в районі температури плавлення чистого заліза умовно не показана.

Лінія АСD - лінія ліквідус, лінія початку кристалізації сплавів. Вище цієї лінії всі сплави знаходяться в рідкому стані.

Лінія АECF - лінія солидус, лінія кінця кристалізації сплавів. Нижче цієї лінії всі сплави знаходяться у твердому стані.

Лінії АС і DС показують температури початку кристалізації аустеніту (АС) і первинного цементиту (DС). При виділення з рідкої фази кристалів аустеніту складу рідкої фази буде збагачуватися вуглецем і по мірі зниження температури змінюватися по лінії АС. Склад твердої фази (аустеніту) при цьому буде збагачуватися вуглецем і змінюватися по лінії АЕ. При виділення з рідкої фази кристалів первинного цементиту складу її збіднюватиметься вуглецем і з пониженням температури змінюватися по лінії DС. Склад твердої фази (цементиту) залишається постійним. Кількість вуглецю в цементите - 6,67%.

При досягненні температури 1147°С склад рідкої фази для будь-якого сплаву, розташованого між концентраціями від точки Е (2,14% С) до точки F (6,67% С), що буде відповідати точці З (4,3% С). При цій температурі частина рідкої фази даного складу кристалізується при постійній температурі з утворенням евтектичній механічної суміші, що містить ту ж кількість вуглецю, що і рідина, тобто 4,3%. Ця евтектика називається ледебуритом. Вона складається з аустеніту складу точки Е (2,14% С) і цементиту складу точки F (6,67% С) Ж.ФС « ЛС(АЕ + Fe3C). Лінія ЕСF позначає постійну температуру утворення евтектики ледебуриту і температуру кінця кристалізації сплавів, що містять вуглецю більше 2,14%. Ця лінія називається лінією евтектичного перетворення. Структура сплаву, що містить 4,3% вуглецю, буде складатися тільки з ледебуриту. У сплавах, розташованих лівіше точки С, в надлишку буде знаходитися аустеніт і структура їх після затвердіння буде складатися з первинних кристалів аустеніту і ледебуриту; для сплавів, розташованих правіше точки С в надлишку буде знаходитися цементит, тому структура цих сплавів після затвердіння складається з первинних кристалів цементиту і ледебуриту.

Сплави, розташовані лівіше точки Е, після закінчення процесу кристалізації (область АESG) мають структуру аустеніту.

При подальшому охолодженні затверділих залізовуглецевих сплавів нижче лінії АECF (лінія солидус) відбуваються процеси, пов'язані зі зміною розчинності вуглецю в залізі a і g, а також процеси, які обумовлюються поліморфним перетворенням заліза.

Лінія GS показує температуру початку перетворення аустеніту в ферит. У сплавах, що знаходяться лівіше від точки S, при зниженні температури нижче лінії GS з аустеніту будуть виділятися кристали фериту.

Лінія ЕS являє собою лінію зміни граничної розчинності вуглецю в аустените в залежності від температури. При охолодженні нижче цієї лінії відбувається виділення з аустеніту вторинного цементиту, а при нагріванні на цій лінії закінчується розпад вторинного цементиту і розчинення вуглецю в аустените. Склад аустеніту при зниженні температури буде весь час змінюватися: у сплавах, що знаходяться лівіше від точки S, - збагачуватися вуглецем і змінюватися по лінії GS; в сплавах, що знаходяться правіше точки S, - обедняться вуглецем і змінюватися по лінії ES.

Вуглець — неметалевий елемент, атомний номер 6, густина 2500 кг/м3, температура плавлення 3500 °С. Вуглець поліморфний. У звичайних умовах він є модифікацією графіту, але може існувати і як метастабільна модифікація алмазу. Вуглець розчиняється в залізі в рідкому і твердому станах, а також може знаходитись у вигляді хімічної сполуки (цементиту), а у високовугле-цевих сплавах у формі графіту.

Компонентами системи Fe - Fe₃C є залізо і цементит. Фази: рідкий сплав, ферит, аустеніт і цементит.

Рідкий сплав існує вище лінії ліквідусу. Залізо добре розчиняє вуглець і утворює однорідну рідку фазу, в твердому стані — ферит, аустеніт, цементит.

Ферит — твердий розчин вуглецю в а-залізі. Розрізняють низько­температурний -ферит з розчинністю 0,02% і високотемпературний 5-ферит з межовою розчинністю 0,1 %. Ферит м'який НВ 80-100, пластичний, має чітко виражені магнітні властивості, добре проводить тепло та електрику, решітка фериту кубічна, об'ємоцентрована.

Аустеніт — твердий розчин вуглецю в -залізі, має кубічну гранецентровану решітку. Межова розчинність вуглецю в -залізі 2,14%. Аустеніт м'який (НВ 200), магнітних властивостей не має.

Цементит — хімічна сполука заліза з вуглецем — карбід заліза Fe₃C із вмістом вуглецю 6,67 %. Цементит дуже твердий і крихкий НВ 800, магнітні властивості виражені слабко, погано проводить електричний струм і теплоту, кристалічна решітка складна. Температура плавлення цементиту точно не встановлена у зв'язку з можливістю його розпаду.

Питання для самоконтролю

1. Що називається цементитом?

2. Що називається феритом?

3. Що називається аустенітом?

4. Скільки вуглеця знаходить ся в цементиті?

5. Яка розчиність вуглеця в фериті при температурі 727⁰С?

6. Яка розчиність вуглеця в фериті при температурі 20⁰С?

7. Яка максимальна розчиність вуглеця в аустеніті?

8. Яка твердість цементита, ферита, аустенита?

9. Яка пластичність цементита, ферита, аустенита?

Лекція № 19-20: Кристалізація сталей

План

1. Перетворення в м’яких сталях

2. Перетворення в евтектоїдной сталі

3. Перетворення в доевтектоїдних сталях

4. Перетворення в заевтектоїдних сталях

Критичними точками сплаву називають точки, що відповідають значенням температур, при яких відбуваються певні перетворення. Критичні точки позначають особливими символами, введеними французьким ученим Ф. Осмондом. Вони дістали загальне застосування, оскільки скоротили характеристику перетво­рень, що проходять у сплавах заліза з вуглецем. Кожну критичну точку запропо­новано позначати великою літерою А з відповідним індексом справа (знизу). Отже, існують такі позначення:

А₁ — для точок, що відповідають лінії PSK, тобто евтектоідному перетворенню;

А₂ — для магнітного перетворення -заліза по лінії МО при 768 °С (точка Кюрі);

А₃ — для точок лінії GOS, тобто для алотропічного перетворення -заліза на -залізо, що відповідає початку виділення фериту з аустеніту;

А_ст — для точок лінії SE, що відповідають початку виділення вторинного надмірного цементиту з аустеніту (або завершення його розчинення);

А₄ — для переходу - заліза в - залізо і зворотного переходу (точки на лінії NH) при температурі 1392 °С і вище.

Практично встановлено, що температури критичних точок бувають різними залежно від того, відбувається нагрівання чи охолодження (тобто має місце термічний гістерезис). Тому треба вказати, про яку критичну точку йдеться — отриману при охолодженні чи нагріванні. Так, при охолодженні поруч з літерою А ставлять індекс r наприклад А_r1, А_r2 при нагріванні - індекс с, наприклад А_С1 , А_С2

При охолодженні розплаву чистого заліза перша температурна зупинка на графіку охолодження спосте­рігається при температурі 1539 °С, коли залізо з рідкого стану пере­ходить у твердий. В результаті кристалізації утворюється -залізо з кристалічною граткою об'ємноцентрованого куба (ОЦК) з парамет­ром a = 2,93 . При температурі 1400 °С ця форма заліза переходить в - залізо і змінює кристалічну ґратку на кубічну гранецентровану (ГЦК) з параметром а = 3,64 . При подальшому зниженні темпера­тури до 911 °С -залізо переходить у -залізо з об'ємноцентрованою кубічною граткою і параметром а = 2,90 . Подальше охолодження до 768 °С призводить до перетворення немагнітного - заліза у магнітне -залізо з ОЦК-граткою і параметром а = 2,86 .

Технічне залізо. При охолодженні розплаву технічно чистого заліза (містить 0,02 % С) кристалізація сплаву почи­нається при деякому переохолодженні відносно лінії АВ з утворенням кристалів -фериту. Вони мають форму дендритів. Вміст вуглецю в -фериті зростає відповідно лінії АН, а в рідкій фазі— відповіднолінії АВ. При деякому переохолодженні відносно лінії АН кристалізація закінчується. Структура складається з рівновісних зерен -фериту.

Подальше охолодження сплаву 1 призводить до поліморфного перетворення , яке починається і закінчується при деякому переохолодженні відносно точок 4 і 5, розташованих на лініях HN і IN. Перетворення супроводжується перерозподілом вуглецю між феритом і аустенітом. При повільному охолодженні склад фаз змінюється відповідно нахилу вказаних ліній. По закінченні перетво­рення нижче точки 5 структура сплаву складається з рівновісних зерен аустеніту.

При температурах нижче точки 6 структура аустеніту знову стає нестабільною і починається поліморфне перетворення відбувається в інтервалі температур (точки 6...Т) і також супровод­жується перерозподілом вуглецю між фазами. Нижче точки 7 струк­тура сплаву складається з зерен фериту. В інтервалі точок 7...8 твердий розчин (ферит) є ненасиченим вуглецем, а нижче точки 8 він стає пересиченим і починає виділятись цементит (Fe₃C — надлиш­кова фаза). Цементит виділяється переважно по границях зерен, що негативно впливає на властивості технічного заліза. Тому на практиці намагаються гальмувати утворення такого (третинного) цементиту. Кінцева структура сплаву після повного охолодження складається з фериту та третинного цементиту.

Формування структури сталей. Залежно від вмісту вуглецю сталі поділяють у відповідності з діаграмою стану на доевтектоїдні (від 0,025 до 0,8 % С), евтектоїдні (0,8 % С) і заевтектоїдні (більше 0,8 % і до 2,14 % С). Відповідно кристалізація сталей може проходити в один, два або три етапи.

Кристалізація сталей з вмістом вуглецю, що відповідає сплавам а,II, б, починається з утворення -фериту. Під час охолодження склад цих кристалів змінюється відповідно нахилу лінії АН, а склад рідини — відповідно лінії АВ. При температурі лінії НІВ рідина (розплав) для всіх випадків приймає концентрацію вуглецю біля точки В, а кристали — біля точки Н.

За умови незначного переохолодження відносно лінії НІВ починається перитектична кристалізація, внаслідок якої за рахунок взаємодії кристалів - фериту та рідини утворюються кристали аусте­ніту. Перитектична кристалізація відбувається при постійній темпе­ратурі. Залежно від складу сталі вона може завершитись повним зникненням фаз, які існували раніше (сплав II), або зберегти надлишок - фериту (сплав а) чи рідини (сплав б). В останньому випадку відбувається третій етап кристалізації, під час якого в темпе­ратурному інтервалі між лініями НІВ та IE кристалізується аустеніт.

У сплавах III і IV кристалізація відбувається у температурному інтервалі між лініями ВС і IE. Кристали аустеніту ростуть у формі дендритів. У зв'язку з підвищеною рухливістю атомів вуглецю дендритна ліквація майже не спостерігається.

Подальше формування структури залежить від складу сталі. В евтектоїдній сталі (сплав III) аустеніт залишається стабільним при охолодженні до точки S. При охолодженні відносно цієї точки при постійній температурі відбувається евтектоїдне перетворення. В результаті утворюється структура, що складається з суміші зерен (пластин) - фериту і цементиту. Таку евтектоїдну суміш називають перлітом.

При охолодженні доевтектоїдної сталі (сплав II) нижче лінії GS аустеніт втрачає стабільність і починається поліморфне перетворення його у ферит. Кристали фериту утворюються переважно на стиках зерен аустеніту і ростуть здебільшого у вигляді рівновісних зерен. Перетворення супроводжується зміною складу аустеніту відповідно лінії GS. При евтектоїдній температурі 727 °С аустеніт завжди набуває евтектоїдної концентрації. При деякому переохолодженні відбу­вається евтектоїдне перетворення.

Таким чином, структура доевтектоїдної сталі буде складатись з фериту та перліту. Відносну кількість фериту і перліту у структурі доевтектоїдної сталі, а також аустеніту та фериту при евтектоїдній температурі можна визначити, користуючись правилом відрізків. Також можна вирішити зворотню задачу — орієнтовно визначити вміст вуглецю в сталі залежно від співвідношення в структурі фериту і перліту (за умови повільного охолодження).

У заевтектоїдній сталі (сплав IV) нижче лінії ES аустеніт стає пересиченим щодо вуглецю. Надлишковий вуглець виділяється з аустеніту у вигляді вторинного цементиту по границях аустенітних зерен. Під час охолодження в інтервалі температур перетворення аустеніт збіднюється вуглецем відповідно лінії ES. Як і в доевтектоїдній сталі, аустеніт при евтектоїдній температурі матиме евтектоїдну концентрацію вуглецю і при подальшому охолодженні за постійної температури перетвориться на перліт. Структура заевтектоїдної сталі складається з перліту і вторинного цементиту.

Перетворення при нагріванні сталей відбувається у зворотному порядку.

Питання для самоконтролю

1. Що таке м’яка сталь?

2. Як поділяються сталі за змістом вуглеця?

3. Що називається перлитом?

4. Як змінюються структури сталей при збільшенні вуглеця?

Лекція № 21: Кристалізація білих чавунів

План

1. Евтектичне перетвореня

2. Перетворення в доевтектичних чавунах

3. Перетворення в заевтектичних чавунах

Формування структури білих чавунів. У білих чавунах весь надлишковий вуглець перебуває у зв'язаному стані, тобто у вигляді цементиту — Fe₃C. Структура чавуну формується за умов не дуже повільного охолодження розплаву у відповідності з метастабільною діаграмою системи залізо — цементит.

Схеми структурних змін під час кристалізації чавунів з різним вмістом вуглецю (доевтектичного, евтектичного, заевтектичного).

Розглянемо формування структури доевтектичного чавуну. Його кристалізація відбувається в два етапи. В інтервалі температур точок 1...2 кристалізується аустеніт. При цьому склад рідкої фази змінюється відповідно нахилу лінії ВС діаграми, тобто розплав збагачується вуглецем. При евтектичній температурі концен­трація рідкої фази буде відповідати точці С, тобто буде евтектичною. Евтектичний розплав, при деякому переохолодженні відносно ев­тектичної температури (1147 °С), кристалізується в евтектику, яка складається з суміші аустеніту і цементиту (ледебурит). Провідною фазою під час евтектичної кристалізації є цементит, пластини якого пересікаються гілками аустеніту. По закінченні кристалізації струк­тура чавуну складається з аустеніту та ледебуриту.

При подальшому охолодженні в інтервалі температур точок 2...3 аустеніт збіднюється вуглецем відповідно до лінії ES діаграми. З нього виділяється вторинний цементит, який може нашаровуватись на цементит ледебуриту, утворювати приграничну сітку або відманштетові пластини. Здебільшого вторинний цементит у чавуні не є самостійною структурною складовою. При переохолодженні від­носно евтектоїдної лінії діаграм аустеніт складу точки S перетво­рюється на евтектоїд — перліт. Таким чином структура доевтектичного білого чавуну буде складатись з перліту і ледебуриту. Оскіль­ки у ледебуриті аустеніт також перетворився на перліт, такий леде­бурит інколи називають видозміненим.

Користуючись діаграмою, неважко визначити, що структура евтектичного чавуну після повного охолодження являє собою ледебурит (видозмінений), а заевтектичного (сплав III) складається з первинного цементиту і ледебуриту.

Питання для самоконтролю

1. При якій температурі відбувається евтектичне перетворення?

2. Що називається ледебуритом?

3. Чим відрізняється верхній ледебурит від нижнього?

4. Як поділяються білі чавуни за змістом вуглеця?

5. Яку структури мають чавуни евтектичні, доевтектичні, заевтектичні?

6. При яких температурах відбувається плавління чавунів?

7. При якій температурі відбувається евтектоїдне перетворення в білих чавунах?

8. Побудувати криві охолодження евтектичних, доевтектичних, заевтектичних чавунів