ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛAВОВ

Ц е л ь р а б о т ы – изучить фазовый состав и структуру сплавов системы Fe – Fe₃C по ее диаграмме состояния в зависимости от температуры и концентрации углерода. Усвоить основные понятия и определения, связанные с составом, строением и свойствами фаз и структурных составляющих этих сплавов. Научиться определять критические температуры (критические точки) сплавов и строить по ним кривые охлаждения с описанием фазовых и структурных превращений в них, происходящих при нагревании и охлаждении.

Общие сведения

Диаграммы состояния в графической форме показывают фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от их концентрации и температуры. Для построения диаграмм состояния используют термический анализ, разработанный Н.С. Курнаковым. Экспериментально получают кривые охлаждения сплавов разного состава и по их перегибам или остановкам, связанных с тепловыми эффектами превращений, определяют температуру соответствующих превращений. Эта температура называется критической температурой или критической точкой. С построенных кривых охлаждения сплавов их критические точки переносятся в координаты «температура – концентрация» и соединяются линиями. Следовательно, линии диаграммы состояния сплавов любой системы – это совокупность критических точек этих сплавов. Рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства вещества изменяется скачком. Структура (строение) сплавахарактеризуется по таким параметрам как количество, размер, форма, распределение, взаимное расположение отдельных фаз и структурных составляющих. Структурная составляющая – это однородная часть строения, образовавшаяся в результате первичной или вторичной кристаллизации сплава, как из жидкого, так и из твердого раствора. Структурная составляющая может состоять из одной или нескольких фаз.

Диаграммой состояния называется графическое изображение на плоскости или в пространстве, позволяющее характеризовать все сплавы определенной системы при любых температуре и концентрации. Диаграмма состояния сплавов системы, компонентами которой являются железо и цементит, (в упрощенном виде) представлена на рис. 1.

Сплавы с содержанием до 2,14 % углерода называются сталями,а более 2,14 % – белыми чугунами, так как излом слитка этих чугунов блестящий кристаллический (белый).

Рис. 1. Диаграмма состояния Fe – Fe₃C )

1.1 Компоненты, фазы и структурные составляющие

железоуглеродистых сплавов

Компоненты – железо и цементит (углерод).

Железо. Температура плавления железа 1539^οС (точка А диаграммы). В твердом состоянии может находиться в двух полиморфных модификациях: до 910^ο (точка G) – α (ОЦК-решетка) и в интервале температур от 910 до 1392^ο С – γ (ГЦК-решетка). Мягкое (НВ 800 МПа), пластичное (δ = 50 %), прочность невысокая (σ_в. – 245 МПа).

Углерод (в железоуглеродистых сплавах – графит) имеет гексагональную кристаллическую решетку, низкую прочность, мягок, электропроводен, химически стоек. При содержании углерода в сплаве 6,67 % образует с железом химическое соединение – цементит.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fе₃С). Содержание углерода – 6,67 %. Температура плавления – 1250-1550°С. (точка D диаграммы) Цементит имеет очень высокую твердость (НV > 8000 МПа), но низкую, практически нулевую пластичность. При высоких температурах он неустойчив и может распадаться с выделением графита.

Эти компоненты при взаимодействии образуют четыре фазы и две структурных составляющих.

Фазы: жидкий раствор углерода в железе, феррит, аустенит и цементит.

Жидкая фаза(Ж). В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод, образуя с ним жидкий раствор. Область жидкого раствора на диаграмме расположена выше линии ACD, которая получила название солидус. Все точки этой линии соответствуют критическим точкам (температуре) начала первичной кристаллизации при охлаждении всех сплавов этой системы. Первичная кристаллизация идет в интервале температуры и заканчивается на линии AECF – линии ликвидус, ниже которой все сплавы данной системы находятся в твердом кристаллическом состоянии.

Феррит (Ф) – твёрдый раствор внедрения углерода и других элементов в альфа-железе. Растворимость углерода в феррите очень мала и зависит от температуры: от 0,006 при температуре 20°С (точка Q) до 0,020 % при 727°С (точка Р). Линия РQ диаграммы – линия предельной растворимости (предельной концентрации по температуре) углерода в феррите. При температуре ниже этой линии начинается выделение цементита третичного (Ц_III) из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите (старение феррита). Этот цементит, располагаясь по границам зёрен феррита, снижает пластичность сплава и способность его к холодной пластической деформации. Феррит имеет низкие прочность (σ_в. – 250 МПа) и твердость (НВ 800-900 МПа), высокую пластичность (δ = 50 %, ψ = 80 %). Однофазная ферритная область диаграммы – QPG.

Аустенит(А) – твердый раствор внедрения углерода и других элементов в гамма-железе. Растворимость углерода в аустените при температуре 727° С (точка S) – 0,8 %, при температуре 1147°С (точка Е) – 2,14 %. Линия SE диаграммы – линия предельной растворимости (предельной концентрации по температуре) углерода в аустените. В железоуглеродистых сплавах существует только при температуре выше 727°С. Однофазная аустенитная область диаграммы – AESG. Мягкий и пластичный, прочность не высокая.

Структурные составляющие: ледебурит и перлит.

Ледебурит (Л) – сплав – механическая смесь (эвтектика) кристаллов двух фаз: аустенита и цементита первичного (Ц_I). Он кристаллизуется из жидкого раствора с содержанием углерода 4,3 % при 1147°С. Точка С диаграммы, соответствующая этим значениям температуры и концентрации, называется эвтектической точкой, а линия ECF – эвтектической линией, на которой сплавы при содержании углерода более 2,14 % – белые чугуны заканчивают первичную кристаллизацию образованием ледебурита. Ледебурит обладает высокой твердостью (НV >7000 МПа) и хрупкостью.

Перлит (П) – сплав – механическая смесь (эвтектоид) кристаллов двух фаз: феррита и цементита вторичного (Ц_II). Он кристаллизуется из аустенита (твердого раствора) с содержанием углерода 0,8 % при 727°С. Точка S диаграммы, соответствующая этим значениям температуры и концентрации, называется эвтектоидной точкой, а линия PSK – эвтектоидной линией или линией перлитного превращения, на которой все сплавы данной системы заканчивают свою вторичную кристаллизацию (перекристаллизацию) образованием перлита. В зависимости от формы зерен цементита вторичного (перлит может быть пластинчатым и зернистым) и их размера характеристики его механических свойств изменяются в пределах: s_в = 650 – 850 МПа, δ = 9 – 25 %, НВ 160 – 2300 МПа.

1.1 Описание процесса кристаллизации при охлаждении железоуглеродистых сплавов

1.1.1 Кристаллизация стали. В зависимости от содержания углерода в сплаве различают стали доэвтектоидные (С < 0,8 %), структура феррит + перлит (Ф + П); эвтектоидные (С = 0,8 %), структура перлит (П); заэвтектоидные (0,8 < С < 2,14 %), структура перлит + цементит вторичный (П + Ц_II).

Кристаллизация аустенита стали из жидкой фазы (первичная кристаллизация) начинается при температуре, соответствующей линии АС, заканчивается на линии АЕ. Область диаграммы АСЕ двухфазная (А + Ж). Ниже линии АЕ стали однофазны. Структура их состоит из кристаллов аустенита.

В доэвтектоидных сталях аустенитная структура сохраняется до температуры, соответствующей линии GS (910 – 727°С) – начало полиморфного γ → α превращения (перекристаллизаии) аустенита в феррит, которое зависит от содержания углерода в стали. В процессе охлаждения сплавов, соответствующих двухфазной области РGS количество феррита в них увеличивается (концентрация углерода в феррите изменяется по линии РG), а аустенита уменьшается (концентрация углерода в нем изменяется по линии GS). При температуре 727°С структура доэвтектоидных сталей состоит из зерен феррита предельной концентрации, соответствующей точке Р (0,02 % С), оставшийся аустенит будет иметь эвтектоидную концентрацию (0,8 % С) и в нем произойдет одновременная кристаллизация зерен феррита и цементита вторичного, т.е. аустенит перекристаллизуется в перлит. Структура – Ф +П.

В заэвтектоидных сталях однофазная структура сохраняется до температуры, соответствующей линии предельной растворимости углерода в аустените SЕ, ниже которой из пересыщенного аустенита избыточный углерод образует цементит, выделяющийся в виде сетки по границам аустенитных зёрен. В результате этого содержание углерода в нем изменяется от 2,14 – при 1147° С, до 0,8 % – при 727° С и он превращается в перлит. Структура – П + Ц_II.

1.1.2 Кристаллизация белого чугуна. Белые чугуны с содержанием углерода менее 4,3 % называются доэвтектическими, их структура – перлит + ледебурит + цементит вторичный (П + Л + Ц_II). Чугуны с содержанием углерода 4,3 % – эвтектические, состоят из ледебурита (Л). 3аэвтектические чугуны (содержание углерода более 4,3 %) имеют структуру цементит первичный и ледебурит (Ц_I + Л).

В доэвтектических белых чугунах первичная кристаллизация начинается с образованием кристаллов аустенита при температуре соответствующей линии АС. При охлаждении сплавов в двухфазной области АСЕ количество аустенита увеличивается, концентрация углерода в нем изменяется по линии АЕ, а количество жидкой фазы уменьшается, концентрация ее в интервале температуры АЕ – ECF изменяется по линии АС. Кристаллизация оставшийся жидкой фазы эвтектической концентрации (4,3 % С) закончится при эвтектической температуре 1147°С (линия ECF) образованием ледебурита. В результате охлаждения сплавов ниже линии ECF из предельно насыщенного углеродом аустенита выделяются кристаллы цементита вторичного и концентрация твердого раствора изменяется по линии ES с 2,14 до 0,8 %. В результате эвтектоидного превращения А → П ледебурит в структуре белых чугунов при температуре ниже 727°С состоит из перлита и цементита первичного. Структура доэвтектических белых чугунов – П + Л + Ц_II.

Ниже линии PSK фазовых и структурных превращений в железоуглеродистых сплавах не происходит.

Процесс кристаллизации заэвтектических белых чугунов описывается аналогично.

1.2 Описание методики построения кривых охлаждения сплавов с использованием диаграммы состояния

Схема построения кривой охлаждения на примере заэвтектоидной стали с содержанием углерода 1,6 % показана на рис. 2. Для определения критических точек сплава через заданную концентрацию проводят сечение диаграммы плоскостью, параллельной оси температуры. Полученные точки пересечения с линиями диаграммы соответствуют температуре этих критических точек. Далее они проектируются на координатное поле: температура – время и соединяются
линиями.

Рис. 2. Схема построения кривой охлаждения сплава

1.2.1 Пример описания структурных и фазовых превращений в сплаве с содержанием углерода 1,6 %. До температуры точки 1 (Рис. 2) линии АС, соответствующей началу кристаллизации аустенита, (примерно 1400°С) сплав в жидком состоянии охлаждается со скоростью печи. Процесс кристаллизации сплавов в двухфазных областях происходит не при постоянной температуре, как у чистых металлов, а в интервале температуры, т. к. концентрация фаз при ее снижении постоянно изменяется. Перегибы кривой охлаждения в точках 1, 2, 3 и 4 объясняются тем, что процессы кристаллизации в 2-х фазных областях сопровождаются выделением тепла, и скорость охлаждения в интервале температуры, соответствующей процессу кристаллизации, заметно снижается.

В точке 2 на линии АЕ (примерно 1250°С) процесс кристаллизации аустенита из жидкой фазы заканчивается и ниже этой температуры сплав состоит из зерен аустенита. До точки 3 на линии SE (примерно 920°С) ни каких превращений с выделением тепла в сплаве не происходит, скорость охлаждения его увеличивается до скорости охлаждения печи.

В точке 3 аустенит имеет предельную концентрацию по температуре и ниже этой температуры из него начинается выделение избыточного углерода в высокоуглеродистую фазу – Fе₃С. Вследствие выделения скрытого тепла кристаллизации скорость охлаждения стали в интервале температуры 3 – 4 уменьшается, а содержание углерода в аустените изменяется по линии ES и снижается до 0,8 % при 727°С. При этих температуре и концентрации, аустенит распадается – вторичная кристаллизация сплава заканчивается образованием перлита. Так как перлитное превращение всегда происходит при постоянной температуре, на кривой охлаждения образуется горизонтальный участок 4 – 4^I длиной, соответствующей продолжительности этого процесса. Ниже этой температуры фазовые и структурные превращения в сплаве отсутствуют. Структура – П + Ц_II.

По диаграмме состояния в каждой двухфазной области можно определить состав и количественное соотношение фаз любого сплава при любой температуре, используя правило отрезков. Для определения состава фаз через фигуративную точку, например а , координаты которой: 1300°С, 1,6 % углерода (Рис. 2), проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную двухфазную область диаграммы. Точки пересечения этих линий b и c проектируют на ось концентрации. Проекция точки b соответствует концентрации углерода в аустените этой стали при данной температуре – 1,1 %, а проекция точки c – соответствует концентрации жидкого раствора – 2,8 % С.

Длина отрезков этой линии между точкой а и точками b и с, определяющими составы фаз, обратно пропорциональна относительным количествам этих фаз в данном сплаве при заданной температуре :

А = ac/bc; Ж = ab/bc.

Для сплава 1,6 % С (Рис. 2) bc = 2,8 – 1,1 = 1,7 % С; ab = 1,6 – 1,1 = 0,5 % С; ac = 2,8 – 1,6 = 1,2 % С.

Отсюда относительное количество аустенита в этом сплаве определится отношением : А = 1,2/1,7 = 0,71 (71 %);

относительное количество жидкой фазы – Ж = 0,5/1,7 = 0,29 (29 %).

Эти правила справедливы в любой двухфазной области диаграммы. Например, сплав 1,6 % С (Рис. 2) при 727°С (фигуративная точка 4, конода – линия SK в двухфазной области SECFK)состоит из двух фаз: аустенит концентрации точки S – 0,8 и Ц_II концентрации точки K – 6,67% С. Относительное количество цементита в сплаве при температуре 727°С определится длиной отрезка (S – 4) из его соотношения к длине всей коноды: 0,8/(6,67 – 0,8) = 0,136 (13,6 %), а при 700°С (двухфазная область, расположенная ниже линии РSK, конода – линия РK) отношением 1,6/6,65 = 0,24 (24 %). Количество феррита (концентрации точки Р) в этой стали при данной температуре (100 – 24 = 76 %).

1.3 Определение критических точек стали при нагревании

В практике термической обработки сталей используется линии диаграммы РSК, GS, SE. Французский ученый Османд для удобства предложил обозначать их следующим образом: линию РSК – А_I, линию GS – А₃, линию SE – А_см.

Так как при нагреве и охлаждении в процессе термической обработки положение этих линий не совпадает, то к предложенным обозначениям добавляются буквы: с – при нагреве (Ас₁, Ас₃, Ас_см ); r – при охлаждении (Аr₁, Аr₃,Аr_см ). Для каждой стали эти значения можно найти в справочниках.

При нагревании стали различают следующие критические точки:

Ас₁ – критическая точка перлитного превращения. Температура ее 727°С соответствует эвтектоидной линии перлитного превращения РSК. При этой температуре происходит перекристаллизация перлита в аустенит (П → А).

В доэвтектоидных сталях при темературе выше Ас₁ начинается перекристаллизация в аустенит структурно свободного феррита. Этот процесс заканчивается при температуре, соответствующей линии GS, выше которой стали однофазны. Их структура состоит из зерен аустенита.

Ас₃ – критическая точка полной перекристаллизации в аустенит доэвтектоидной стали. (Ф + А) → А. Температура ее определяется по линии GS в зависимости от содержания углерода в стали.

В заэстектоидных сталях выше Ас₁ начинается процесс растворения избыточного цементита в аустените. Этот процесс заканчивается при температуре, соответствующей линии SЕ, выше которой стали однофазны и имеют аустенитную структуру.

Ас_см – критическая точка полной перекристаллизации в аустенит заэвтектоидной стали. (А +Ц) → А. Температура ее определяется по линии SЕ в зависимости от содержания углерода в стали.

Известны еще две критические точки, соответствующие температуре магнитнитного превращения в железоуглеродистых сплавах:

Ас₀ – 210°С – критическая точка магнитного превращения цементита. При этой температуре цементит становится не магнитным;

Ас₂ – 768°С (точка Кюри) – критическая точка магнитного превращения феррита. Она соответствует температуре превращения магнитного α-Fe в парамагнитное β- Fe.

1.4 Порядок выполнения работы

1) Начертить диаграмму состояний «железо – цементит», справа от нее оставив место для построения кривых охлаждения. Изучить компоненты данной системы, фазы и структурные составляющие ее сплавов.

2) Ознакомиться по диаграмме с процессом кристаллизации железоуглеродистых сплавов, с фазовым составом и структурой в каждой ее области

3) провести на ней ординату, через концентрацию углерода сплава, заданного в соответствие варианта задания (Табл. 1), и обозначить все его критические точки. Справа от диаграммы на координатном поле температура – время построить кривую охлаждения данного сплава. Описать, какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода. Охарактеризовать этот сплав, используя правило отрезков определить для него при заданной температуре количество, состав фаз и процентное их соотношение,

Таблица 1

Исходные данные для выполнения индивидуального задания

Номер варианта
Концентрация углерода, %	0,35	3,0	0,60	1,45	0,65	2,40	1,70	0,55	3,60	0,90
Температура, °C
Номер варианта
Концентрация углерода, %	0,40	4,0	1,85	0,70	3,20	1,0	0,45	2,70	1,65	0,30
Температура, °C
Номер варианта
Концентрация углерода, %	4,10	0,75	1,30	2,65	0,37	0,95	3,95	0,50	1,40	0,25
Температура, °C

1.5. Содержание отчета

1) Диаграмма состояния Fe – Fe₃C с указанием координат по температуре и концентрации углерода характерных точек, обозначением фаз и структурных составляющих в каждой ее области.

2) Краткая характеристика каждой структурной составляющей (определение, содержание углерода в зависимости от температуры, механические свойства).

3) Кривая охлаждения сплава заданной концентрации углерода (согласно варианту, см. табл. 1), его характеристика, описание превращения сплава при его охлаждении из состояния жидкого раствора до полного охлаждения. Определение концентрации и процентное содержание фаз сплава при заданной температуре.

4) Описание критических точек сталей при нагревании и сущность структурных и фазовых превращений при этих температурах.

1.6. Вопросы для самоконтроля

Что называется диаграммой состояния сплавов? Её практическое значение. В чем сущность линий ликвидус и солидус?

Назовите аллотропические превращения железа. Что такое твердый раствор, какой он бывает?

Дайте определение системы, компонента, фазы, структурной составляющей.

На каких линиях диаграммы в равновесии находятся три фазы?

Какие структурные составляющие железоуглеродистых сплавов имеют наименьшую и наибольшую твёрдость?

Как обозначаются критические точки сталей? Каким линиям диаграммы они соответствуют? Какие превращения в них происходят?

В чём состоит сущность эвтектического и эвтектоидного превращений, соответствующим им линий и точек диаграммы?

Почему на кривой охлаждения сплава есть наклонные линии и горизонтальные участки?

Библиографический список

1. Бычков Г.В., Ражковский А.А., Смольянинов А.В. Материаловедение. Конспект лекций. Часть 1. Омск. ОмГУПс. 2005. 57 с.

2. Материаловедение и технология конструкционных материалов для железнодорожной техники/ Под ред. Н.Н. Воронина. М:, Маршрут. 2004.

РАУБА Александр Александрович,

РАЖКОВСКИЙ Александр Алексеевич,

ПЕТРОЧЕНКО Сергей Валерьевич

ТИХОМИРОВ Владимир Игнатьевич

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ

«УПРАЖЕНЕНИЯ ПО ДИАГРАММЕ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ»

___________________________________

Редактор Т.С. Паршикова

Лицензия ИД №01094. Подписано в печать ___.07.2010.

Формат 60 х 84¹/₁₆. Бумага офсетная.

Плоская печать. Усл. печ. л. 1,4

Уч. изд. л. 1,3. Тираж 250 экз. Заказ 363.

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа

Типография ОмГУПСа

644010, г.Омск, пр. Маркса, 35