Материаловедение и технология материалов (стр. 3 )

При достижении температуры 1147°С состав жидкой фазы для любого сплава, расположенного между концентрациями от точки Е (2,14% С) до точки F (6,67% С), будет соответствовать точке С (4,3% С). При этой температуре оставшаяся часть жидкой фазы данного состава (4,3 % С) закристаллизуется с образованием эвтектической механической смеси, содержащей то же количество углерода, что и жидкость, т. е. 4,3%. Эта эвтектика называется ледебуритом. Она состоит из аустенита, состава точки Е (2,14% С) и цементита, содержащего 6,67% С. Следовательно, линия ЕС означает температуру образования эвтектики ледебурита и температуру конца первичной кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 2,14%. Реакция образования ледебурита запишется так:

Ж. Ф.СЛед. С(АЕ+Fe3C).

Образование эвтектики ледебурита происходит при строго определенной температуре 1147°С. Структура сплава, содержащего 4,3% С, будет состоять из одного ледебурита. По мере удаления от точки С вправо и влево количество ледебурита будет уменьшаться, а количество первичных кристаллов избыточной фазы (первичного цементита и аустенита) увеличиваться. Сплавы, расположенные левее точки Е, после окончания процесса кристаллизации будут иметь структуру одного аустенита.

При дальнейшем охлаждении затвердевших железоуглеродистых сплавов ниже линии солидус происходят процессы, связанные с изменением растворимости углерода в α-Fe и γ-Fe, а также процессы, которые обуславливаются аллотропическим превращением железа.

ЛИНИИ GS и SE показывают температуры вторичной кристаллизации. Для сплавов левее точки S при понижении температуры ниже линии GS из аустенита будут выпадать кристаллы феррита; для сплавов, расположенных правее точки S, при понижении температуры из аустенита будут выпадать кристаллы вторичного цементита. Состав аустенита при понижении температуры будет все время изменяться: для сплавов, лежащих левее точки S, - обогащаться углеродом и изменяться по линии GS; для сплавов, лежащих правее точки S, обедняться углеродом и изменяться по линии ES. При достижении температуры 727°С состав аустенита для всех сплавов, содержащих углерода более 0,02%, будет соответствовать точке S (0,8% С).

При этой температуре аустенит состава S (0,8% С) будет превращаться в эвтектоидную механическую смесь, содержащую тоже количество углерода, что и аустенит, т. е. 0,8% и состоящую из феррита состава точки Р (0,025% С) и цементита, содержащего 6,67% С. Эта механическая смесь называется перлитом.

Следовательно, линия PSK показывает температуру образования перлита (эвтектоида) и температуру конца вторичной кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 0,02%. Реакция образования перлита запишется:

ASПS(ФР _ Fe3C).

Образование перлита (эвтектоида) протекает при строго определенной постоянной температуре (727°С для сплавов железа с углеродом).

Количество феррита увеличивается с уменьшением содержания углерода в сплаве, и при содержании углерода 0,02% (точка Р) и менее структура будет состоять из одного феррита. Структура сплава, содержащего 0,8% С, ниже 727°С будет состоять из одного перлита. Для сплавов, расположенных правее точки S, в избытке будет находиться цементит. С увеличением содержания углерода количество цементита будет расти. Структура этих сплавов соответственно содержанию углерода ниже 727°С будет состоять: из вторичного цементита и перлита (от 0,8% С до 2,14% С); перлита, вторичного цементита и ледебурита (от 2,14% С до 4,3% С); ледебурита (4,3% С); первичного цементита и ледебурита (от 4,3% с до 6,6% С).

Вторичный цементит для сплавов, содержащих 4,3% С и более, входит в состав ледебурита и не является самостоятельной структурой.

ЛИНИЯ GP показывает температуру конца вторичной кристаллизации аустенита в феррит. При охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже линии PSK (727°С) начнется третичная кристаллизация, связанная с уменьшением растворимости углерода в α-Fe. Из феррита при понижении температуры будет выделяться третичный цементит.

ЛИНИЯ PQ показывает температуру начала кристаллизации третичного цементита из феррита.

Третичный цементит ниже 727°С может присутствовать у всех сплавов, содержащих более 0,008% С. Однако как структурная составляющая он находится только в сплавах, содержащих от 0,008 до 0,02% С, и оказывает в этом случае существенное влияние на их свойства.

Диаграмма состояния железо-углерод (цементит) приведена на рисунке 3 и показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С).

С понижением температуры фазовый и структурный состав меняется, а в соответствии с содержанием углерода все сплавы делятся на стали (углерода 2,14%) и чугуны (углерода 2,14 – 6,67%).

В таблице 1 показан структурный и фазовый состав сплавов системы Fe-C после охлаждения.

Таблица 1

Количество углерода %	Сплав	Структурный состав	Фазовый состав
не более 0,02	техническое железо	Ф или Ф+Ц III	Ф+Ц
от 0,02 до 0,8	доэвтектоидные стали	Ф+П	Ф+Ц
=0,8	эвтектоидная сталь	П	Ф+Ц
от 0,8 до 2,14	заэвтектоидная сталь	П+Ц	Ф+Ц
от 2,14 до 4,3	доэвтектический чугун	П+Л+Ц	Ф+Ц
=4,3	эвтектический чугун	Л	Ф+Ц
4,3 – 6,67	заэвтектический чугун	Л+Ц	Ф+Ц

Таким образом, после охлаждения сплавов системы Fe-C их структурный состав разный, а фазовый одинаковый (Ф+Ц). Структуры доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной сталей представлены на рис.5.

Анализ фазовых превращений в доэвтектоидной стали

При понижении температуры сплава 1 (рис.6) до линии ликвидус (точка t1) из жидкой фазы начинают выделяться кристаллы δ-феррита и сплав становится двухфазным (жидкость и кристаллы δ-феррита). В двухкомпонентной системе при наличии двух фаз степень свободы системы С=2+1–2 =1, т. е. процесс кристаллизации протекает при изменяющейся температуре. Состав твердого раствора при понижении температуры меняется по линии солидус, а состав жидкости – по линии ликвидус. При температуре 1499°С (линия НIВ) в равновесии находятся δ-феррит состава точки Н(0,1% С) и жидкая фаза состава точки В(0,5% С).

При постоянной температуре 1499°С (С=2+1–3=0) протекает перитектическая реакция

ЖВ+ФН Аt.

Ниже перитектической температуры из жидкости кристаллизуется аустенит. При температуре t3 сплав полностью затвердеет. В интервале температур t3 - t4 (С=2+1–1=2) существует только аустенит. При понижении температуры несколько ниже t4 (линия GS) из аустенита выделяется феврит и сплав получает двухфазовое состояние: А и Ф (С=2+1–2=1). Состав А при понижении температуры при этом изменяется по линии GS, а Ф – по линии PG. При достижении температуры 727°С (линия PSK) содержание углерода в А равно 0,8% (точка S). Аустенит, имеющий эвтектоидный состав, распадается с одновременным выделением из него феррита (Ф) и цементита (Ц), образующих перлит:

ASФP+Fe3C(Ц).

Эвтектоидный распад А протекает при постоянной температуре 727°С (линия PSK), поэтому эта реакция на кривой охлаждения изображена в виде горизонтальной площадки (как и реакция перитектического превращения). При наличии трех фаз: феррита (0,02% С), цементита (6,67% С) и аустенита (0,8% С) система нонвариантна (С=2+1 – 3 =0).

Все доэвтектоидные стали имеют структуру Ф+П. Таким образом, от начала кристаллизации до полного охлаждения доэвтектоидные стали претерпевают следующую цепочку переходов и превращений:

Жδ-Ф+ЖЖВ+ФНАt Аt+Ж(избыток)

АА+ФАSПS(ФН+ЦК) Ф+П

Аналогичным образом можно проанализировать любой сплав системы Fe-C, как сталь, так и чугун, а также подсчитать количество каждой фазы в двухфазных областях (по правилу отрезков).

Определение содержания углерода в доэвтектоидной стали

по ее микроструктуре

Принимая во внимание, что феррит практически не содержит углерода, а в перлите углерода содержится 0,8%, можно по соотношению площадей, занимаемых в микроструктуре ферритом и перлитом, ориентировочно определить содержание углерода в стали. Например, при изучении структуры стали под микроскопом «на глаз» определили, что площадь, занимаемая перлитом (темное включение), составляет 30%. Как известно, при 100% содержании перлита углерода в стали содержится 0,8% при 30% содержании перлита (по его площади) углерода содержится Х%, тогда:

Х=30·0,8/100=0,24%.

Следовательно, в стали содержится 0,24% С.

Заэвтектоидные стали содержат от 0,8% до 2,14% углерода. Структура заэвтектоидной стали при комнатной температуре состоит из перлита и вторичного цементита. Цементит в зависимости от режима термической обработки наблюдается в виде светлых, небольших по величине зерен либо в виде светлой сетки по границам зерен перлита (рис. 5.е). Строение и свойства перлита заэвтектоидной стали аналогичны перлиту в эвтектоидной стали. Количество вторичного цементита в структуре заэвтектоидной стали невелико и увеличивается с повышением содержания в ней углерода.