Превращения в сплавах системы железо – цементит

Фазовый состав

Диаграмма состояния Fe – Fe3C (см. рис 5.1) характеризует фазовый состав и превращения в системе Fe – Fe 3 C. Особенность диаграммы – наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в табл. 5.1.

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а D – температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки H и P характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка E определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

Превращения в сплавах системы Fe – Fe 3 C происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFKQ). Выделяющийся из жидкости цементит называют первичным, из аустенита – вторичным, из феррита – третичным. Соответственно на диаграмме состояния CD – линия первичного цементита, ES – линия вторичного цементита; PQ – линия третичного цементита. В системе Fe – Fe 3 C происходят три изотермических превращения:

Перитектическое превращение на линии HJB (1499 ºС)

Ф H + Ж B AJ;

Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 ºС)

ЖС AE + Ц];

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 ºС)

А S Ф P + Ц].

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом, эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом.

Эвтектоид – перлит (0,8% С) и эвтектику – ледебурит (4,3% С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σв = 800…900 МПа; σ0,2 = 450МПа; δ  16%; твердость равна 180 – 220 HB. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при 20 – 25 ºС ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (>600HB) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали, содержащие до 2,14%С, и чугуны.

Кристаллизация сталей

Кристаллизация чистого железа протекает изотермически при 1539 ºС, а сплавов железа с углеродом – в интервале температур, рассмотрим вначале верхний участок диаграммы состояния(рис. 5.2), где происходит перитектическое превращение.

Сплав I, содержащий менее 0,1%С, не испытывает перитектического превращения. Он кристаллизуется в интервал е температур точек 12. При этом составы жидкой фазы и феррита изменяются по обычным законам кристаллизации твердых растворов. Образуется зернистая структура, состоящая из кристаллов феррита. В интервале температур точек 34 происходит перекристаллизация феррита в аустенит, вызванная полиморфизмом железа.

Сплав Ш, содержащий 0,16%С, при кристаллизации из жидкой фазы в интервале температур точек 89 образует кристаллы феррита, которые при температуре точки 9 имеют состав точки H, а оставшаяся жидкость – состав точки B. При 1499ºС протекает перитектическая реакция кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой состава точки J. Согласно правилу фаз перитектический процесс идет изотермически и при постоянной концентрации фаз, так как число степеней свободы при этом процессе равно нулю.

Сплавы типа II имеют содержание углерода от 0,1 до 0,16%С. В интервале температур точек 5 – 6 выделяется феррит. При температуре точки 6 в сплаве II содержится избыточный феррит. В результате перитектический процесс заканчивается образованием новой фазы аустенита при сохранении некоторого количества феррита:

Ф H + Ж B AJ + Ф H (ост) .

При дальнейшем охлаждении этот остаток феррита перекристаллизуется в аустенит с тем содержанием углерода, которое имеет сплав.

Сплавы типа IV содержат от 0,16 до 0,51%С. При температуре точки 11 они имеют избыток жидкой фазы по сравнению со сплавом III. В результате перитектический процесс заканчивается образованием аустенита при сохранении некоторого количества жидкой фазы:

Ф H + Ж B AJ + Ж В (ост) .

При дальнейшем охлаждении в интервале температур точек 1112 оставшаяся жидкая фаза затвердевает, образуя аустенит. Концентрация углерода в аустените ниже температуры точки 11 изменяется по линии JE.

Таким образом, все рассмотренные сплавы, лежащие ниже линий NJ и JE, находятся в твердом состоянии и имеют аустенитную структуру.

Дата: 2019-02-18, просмотров: 429.