Превращения сталей в твердом состоянии

Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии, поэтому рассмотрим более подробно превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации (ниже линии NJE).

Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рис. 5.3, а).

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02%С (точка Р диаграммы), называют техническим железом.

Если углерода содержится меньше 0,0002%С (сплав I), то при охлаждении от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до 20 – 25 ºС (рис. 5. 4, а).

При содержании углерода в техническом железе больше 0,0002% (сплав II на рис. 5.3, а) после образования феррита, начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (см. линию PQ на рис. 5.3, а). конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен (рис. 5.4, б). третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.

Рис. 5.4. Микроструктура технически чистого железа: а  - < 0,006% С. 300; б – 0,01%С. 600

При 20 – 25ºС третичный цементит имеется во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,0002%С. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание мало по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых превращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02% о третичном цементите не упоминают.

 Сплав II (рис. 5.3, б) с содержанием 0,8%С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSK происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02%С и цементит. Такую смесь двух фаз называют перлитом (рис. 5.5, б). эвтектоидное превращение идет при постоянных температуре и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы и число степеней свободы равно нулю.

Сплав I (см. рис. 5.3, б) с содержанием углерода менее 0,8% называют доэвтектоидной сталью. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествуют частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 12. При температуре точки b фазовый состав сплава Аса. Количественное соотношение аустенита и феррита определяется отношением отрезков ab и bc.

При температуре точки 2 сплав имеет фазовый состав AS + Ф P с количественным соотношением фаз соответственно P 2 и 2 S. В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали (рис. 5.5, а).

Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание углерода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее структуру в стабильном состоянии.

Сплав III (рис. 5.3, б) – заэвтектоидная сталь (> 0,8%С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 – 4 предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (ЦII). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4 аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8% и на линии PSK испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на фотографиях выглядят светлой сеткой (рис. 5.5, в). Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.

Превращения чугунов

В сплавах с содержанием углерода более 2,14% при кристаллизации происходит эвтектическое превращение. Такие сплавы называют белыми чугунами.

Сплав II (рис. 5.6) – эвтектический белый чугун (4,3%С) кристаллизуется при эвтектической температуре изотермически с одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точки E и цементита. Образующаяся смесь этих фаз, как известно, названа ледебуритом. Фазовый состав ледебурита, как и любой эвтектики, постоянен и определяется отношением отрезков Ц/АЕ = EC / CF.

При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ES вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8%С. При температуре линии PSK аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит.

В доэвтектических белых чугунах (< 4,3%С) кристаллизация сплава начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. В сплаве I (см. рис. 5.6) этот процесс идет в интервале температур точек 1 – 2. При температуре точки 2 образуется эвтектика (ледебурит) по реакции

ЖС + АЕ AE + Ц ] + АЕ.

При последующем охлаждении из аустенита, структурно свободного и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при 727ºС превращается в перлит.

Структура доэвтектического белого чугуна показана на рис. 4.17, а. крупные темные поля на фоне ледебурита – перлит, образовавшийся из структурно свободного аустенита.

Сплав III (см. рис. 5.6) – заэвтектический белый чугун ( > 4,3%С). В заэвтектических чугунах кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита и в интервале температур точек 5 – 6; при этом состав жидкой фазы изменяется согласно линии DC. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением, с образованием ледебурита. При дальнейшем охлаждении происходят превращения в твердом состоянии, такие же, как в сплаве II.

Конечная структура заэвтектического чугуна при 20 – 25ºС показана на рис. 5.7, б. В ледебурите видны темные участки перлита; резко выделяются крупные пластинки первичного цементита.

Дата: 2019-02-18, просмотров: 1055.