Кристаллизация сталей и твердофазные превращения в сталях. Выделение аустенита, феррита, цементита, перлитное превращение Министерство образования и науки Украины Донбасский государственный технический университет Институт повышения квалификации по Металловедению на тему «Кристаллизация сталей и твердофазные превращения в сталях. Выделение аустенита, феррита, цементита, перлитное превращение» Алчевск 2009 1. Кристаллизация в сталях Рисунок 1. Участок диаграммы состояния железо – карбид железа Характерные точки диаграммы: B (1499ºС) ─ 0,51% С H (1499ºС) ─ 0,1% С I (1499ºС) ─ 0,16% С Пять групп сталей при кристаллизации: Iгр. – от 0 до 0,1%С (до т.H) IIгр. – от 0,1 до 0,16%С (от т.H до т.J) IIIгр. – 0,16%C (т. J) IVгр. – от 0,16 до 0,51%С (от т. J до т. В) Vгр. – от 0,51 до 2,14%С (от т. В до т. С) Рассмотрим ряд характерных сплавов: Сплав I При температуре соответствующей точке 1, сплав находится в равновесном состоянии, имеется набор фазовых и концентрационных флуктуаций. При t2 ─ количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций увеличивается, и немного ниже t2 начинается процесс кристаллизации. Линия АВ ─ линия насыщения жидкого сплава δ-Ферритом. Состав жидкости описывается линией ликвидус, а δ-Ф по линии солидус. При t3 жидкая фаза имеет состав т. б , а δ-Ф ─ состав т. а . При t4 кристаллизация заканчивается, ниже этой температуры существует только δ-Ф, вплоть до температуры t5 . Ниже t5 δ-Ф пересыщается –Fe (Аустенитом) и происходит его выделение. При температуре t6 ─ точка в описывает состав ─ δ-Феррита, точка г ─ описывает состав Аустенита. Количественное соотношение фаз: δ-Фв = Аг = Ниже точки 7 существует только аустенит. Сплав II Точка 1, 2, 3 ─ аналогично сплаву l. При температуре t4, соответствующей перитектическому равновесию, состав жидкой фазы определяется точкой В , а состав δ-Феррита точкой Н : δ-Фн + Жв АJ + δ-Фн (остаточный или избыточный) При дальнейшем охлаждении ниже t4 остаточный δ-Фост. кристаллизируется в аустенит (А). Ниже т. 5 существует только аустенит. Сплав III Точки 1, 2, 3 ─ аналогично сплавам I, II. При температуре т. 4 (J) (температура перитектического равновесия): δ-Фн + Жв АJ (100%), происходит полное превращение без сохранения избыточных фаз. Сплав IV Точки 1, 2, 3 ─ аналогично сплаву I─III. При температуре т. 4 происходит перитектическое превращение: δ-Фн + Жв АJ + Жост . При дальнейшем понижении температуры от т. 4 до т. 5, оставшаяся жидкая фаза кристаллизуется в аустенит (А). Сплав V При температуре т. 1 и т. 2 ─ положение сплава аналогичны ранее рассмотренным. При температуре т. 3 происходит кристаллизация жидкости в аустенит (в т. 2 жидкая фаза пересыщается в отношении -Fe). Для жидкости состав меняется по ликвидус f – 5, а для Аустенита ─ d – 4, по линии солидус. Ниже т. 4 существует только аустенит. Таким образом, какой бы мы сплав не взяли, при содержании углерода менее 0,51%, несмотря на предварительные образования δ-фазы, в конечном итоге образуется -фаза (аустенит). Аустенит представляет собой однородный твердый раствор внедрения углерода в –Fe. Рисунок 2. Микроструктура аустенита 2. Твердофазные превращения в сталях Сплавы Fe с С содержащие от 0 до 0,025% С ─ технически чистое железо. Сплавы Fe с С ─ от 0,025 до 0,81% С ─ доэвтектоидные стали. Сплавы Fe с С ─ 0,81% С ─ эвтектоидная сталь. Сплавы Fe с С ─ от 0,81 до 2,14% С ─ заэвтектоидные стали. Рисунок 3. Участок диаграммы состояния железо – карбид железа Рассмотрим ряд характерных сплавов: Сплав I (технически чистое железо). Точка 1 ─ существует Аустенит, имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций. Точка 2 ─ увеличивается размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций. В точке 3 ─ начинается выделения кристаллов феррита ( – модификация). Проводим каноду: т. а ─ описывает состав аустенита (начало полиморфного превращения -Fe -Fe); т. б ─ описывает состав феррита (конец полиморфного превращения). Количественное соотношение фаз: Аа = , Фб = , (при расчете в домашнем задании 3а и 3б необходимо измерять линейкой, а затем рассчитывать). С охлаждением сплава количество феррита (Ф) увеличивается (состав изменяется от б до 4), а аустенита (от а до г ). В точке 4 превращение А заканчивается. При t5 существует только феррит. Линия PQ ─ линия изменения растворимости С в Феррите. При охлаждении ниже PQ феррит пересыщается углеродом, в результате чего происходит выделение избыточного углерода в виде цементита третичного. Рисунок 4. Микроструктура технически чистого железа При комнатной температуре: ЦIII = ( max Ц III =0,29%) ФQ = (Ц III ─ более 0,17% С не брать.) Сплав II (доэвтектоидная сталь ─ 0,3% С) Точки 1 и 2 аналогично сплаву I. При t3 размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций становится критическим и появляется возможность перекристаллизации А в Ф. Количественное соотношение фаз: Аy = , ФZ = . При охлаждении состав Аустенита изменяется по линии y ─ S, состав Ф по линии z ─ P. Содержание углерода в Аустените возрастает, а его количество уменьшается. При t4 (727º С) содержание углерода в аустените достигает 0,81% (точка S). При t4 : Фр = , Аs = . Аустенит при этой температуре одновременно насыщен по отношению к ферриту и цементиту, ниже т. 4 из Аустенита в результате эвтектоидного превращения образуется феррито – цементитная смесь: Аs Фр + Ц ─ эвтектоид, перлит т.е. перлита будет столько же, сколько аустенита до превращения – П=АS =35%. Т.о., структура стали после охлаждения будет: Фр и Перлит (Ф и Ц). Рисунок 5. Микроструктура доэвтектоидной стали Сплавы Fe с С содержащие углерод от 0,025 до 0,25% называются ─ малоуглеродистыми. С = 0,25 0,6% ─ среднеуглеродистые стали; С = 0,6 0,8% ─ высокоуглеродистые доэвтектоидные. Подсчитаем количество фазовых составляющих при t5 для сплава с 0,3% С. т.Q= 0,006% С. т.L= 6,67% С. Канода QL ─ 100%: ФQ = , ЦL = . Структура: Ф = П = Перлит чаще имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Толщина этих пластинок находится в соотношении 7,3:1. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение. Сплав III (эвтектоидный состав сплава ─ 0,81% С). Точка 1 ─ равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций. Точка 2 ─ количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций увеличивается. Точка 3 ─ Аустенит насыщен одновременно по отношению к ферриту и цементиту, и ниже этой температуры (t3 =727ºС), Аустенит распадается с образованием эвтектоидной смеси (Ф+Ц): AS Ф+Ц перлит Т.о., сплав III будет иметь одну структурную составляющую ─ Перлит. Рисунок 6. Микроструктура эвтектоидной стали Определим при температуре t4 количественное соотношение фазовых составляющих: ФQ = , ЦL = . Это постоянное соотношение Ф и Ц в перлите, отсюда и соотношение толщин пластинок раза. (Запомнить! ) Сплав IV (1,4% С ─ заэвтектоидный сплав) При t1 имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций. При t2 размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций цементита увеличивается. При охлаждении до t3 размер фазовых и концентрационных флуктуаций становится критическим и происходит выделение Ц из аустенита. При t3 : Aq = , ЦIIp = . Состав аустенита при охлаждении меняется по линии qS, а цементит имеет постоянный состав т. К. Температура t4 ─ соответствует линии эвтектоидного равновесия. Перед t4 : Аs = . Данный аустенит, имеющий состав точки S при дальнейшем охлаждении превратится в перлит (7270 С): AS П( Ф+Ц), т.е. AS = П= 89,9%. ЦII = . При t5 количественное соотношение фаз составит: ФQ = , ЦL = . Рисунок 7. Микроструктура заэвтектоидной стали 3. Построение кривой охлаждения Рисунок 8. Кривая охлаждения малоуглеродистой стали 1–2 2–3 3–4 4–5 5–6 6–7 Рисунок 9. Схема изменения микроструктуры малоуглеродистой стали в процессе кристаллизации и твердофазных превращений Литература 1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980. 2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.