Особенности кристаллизации и вторичные превращения в сталях

Связь между характером взаимодействия компонентов в двойных сплавах и их свойства (закон Курнакова).

Свойства сплавов зависят от взаимодействия компонентов, т.е. структуры. Диаграмма состояния характеризует взаимодействие компонентов и показывают, какая структура получается в зависимости от состава сплава.

Следовательно, существует связь между свойствами и типом диаграммы состояния.

16 Диаграмма состояния сплавов «железо-углерод». Характер взаимодействия железа с углеродом. Основные линии диаграммы.

Диаграмма состояния– это графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов в условиях равновесия.

Компоненты системы – железо Fe и углерод С (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Диаграмма состояния «Железо – карбид железа» (Fe – Fe₃C)

Особенности диаграммы определяются полиморфизмом железа и углерода, а также ферромагнетизмом железа:

- от 1539 – 1392 ^оС железо имеет решетку ОЦК, такая модификация железа называется d (Fe);

- от 1392 – 911 ^оС железо имеет решетку ГЦК, такая модификация железа называется g(Fe);

- ниже 911 ^оС железо имеет решетку ОЦК, такая модификация называется a(Fe);

- при температуре 768 ^оС железо теряет магнитные свойства, и эта температура называется точкой Кюри.

В каждой модификации железа растворяется строго определенное количество углерода с образованием твердых растворов внедрения:

- d - феррит – раствор углерода в d(Fe) с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в d(Fe) составляет 0,1 % при температуре 1499 ^оС;

- аустенит – твердый раствор углерода в g(Fe) с ГЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в g(Fe) составляет 2,14 % при температуре 1147 ^оС;

- a - феррит – твердый раствор углерода в a(Fe) с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в a(Fe) составляет 0,025 % при температуре 727 ^оС.

Кроме указанных выше твердых растворов в системе Fe – С образуются две высокоуглеродистые фазы:

- цементит – химическое соединение Fe₃С со сложной орторомбической решеткой, которое содержит 6,67 % углерода и имеет температуру плавления Т_пл = 1260 ^оС. Эта фаза метастабильная, способная к распаду (Fe₃С ® 3Fe + С_гр);

- графит – модификация углерода с ГПУ решеткой. Эта фаза стабильная, состоит на 100 % из углерода и имеет температуру плавления Т_пл = 3600 ^оС.

В дополнение к фазам в виде твердых растворов на диаграмме имеются области существования механических смесей:

- перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, содержащая 0,8 % С (рис. 7.1, точка S);

- ледебурит – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита в интервале температур 1147 – 727 ^оС или перлита и цементита при температурах ниже 727 ^оС, содержащая 4,3 % углерода (рис. 7.1, точка С).

Сплошными линиями изображена диаграмма Fe – Fe₃C, штриховыми – диаграмма Fe – С (рис.7.1). Основной является диаграмма Fe – Fe₃С. Однофазные области диаграммы:

- выше линии ABCD (линия ликвидус) – жидкость (L);

- область AHN – область d - феррита;

- область NJESG – область аустенита;

- область GPQ – область a - феррита;

- линия LD или KD – область цементита Fe₃C.

Остальные области диаграммы (рис. 7.1) – двухфазные: ледебурит, перлит и их комбинации.

7.1. Характеристика линий и точек диаграммы Fe – Fe₃C

Линия АВСD - линия ликвидус – линия начала кристаллизации сплава и состоит она из трех частей:

- AB – начало образования d- феррита;

- BC – начало кристаллизации аустенита;

- CD – начало кристаллизации цементита Fe₃C.

Линия AHJECF – линия солидус – линия конца кристаллизации сплава и состоит она из нескольких частей:

- AH – конец кристаллизации d- феррита;

- JE – конец кристаллизации аустенита;

- HJB - линия перитектического превращения:

Ж_в + Fe_dH ¹⁴⁹⁹ ® Fe_gJ или Ж_В + Ф_H ¹⁴⁹⁹® A _аусJ

- ECF – линия эвтектического превращения:

Ж_с ¹¹⁴⁷® g_Е + Fe₃C_F или Ж_с ¹¹⁴⁷® А_Е + Ц_I

Остальные линии соответствуют превращениям в твердом состоянии:

- NH и NJ (А₄) – линии начала и конца полиморфного превращения Fe_d «Fe_g;

- GS (А₃) и GP – линии начала и конца полиморфного превращения Fe_g «Fe_a;

- ES(А_ст) – линия выделения вторичного цементита из аустенита (Fe₃C_II) за счет изменения растворимости углерода в g-железе. Эта линия называется линия сольвиус;

- PQ – линия выделения третичного цементита (Fe₃C_III) за счет изменения растворимости углерода в a- железе;

- PSK (А₁) – линия эвтектоидного превращения во всех сплавах независимо от содержания углерода:

Fe_gS ⁷²⁷ ® Fe_aP + Fe₃C_k или А_уст ® Ф_Р + Ц_II

- KD – линия существования химического соединения Fe₃C (цементит);

- MO (А₂) – 768 ^оС - линия магнитного превращения феррита (потеря магнитных свойств железа).

Физический смысл точек диаграммы:

- A – температура плавления и кристаллизации чистого железа;

- B – перитектическая точка;

- C – эвтектическая точка;

- D – температура плавления и кристаллизации цементита;

- N и G - температуры полиморфных превращений чистого железа;

- H – предельная растворимость углерода в d - железе;

- E – предельная растворимость углерода в g - железе;

- S – эвтектоидная точка;

- P и Q – точки предельной растворимости углерода в a - железе;

- M – точка магнитного превращения железа (точка Кюри).

А₁, А₂, А₃, А₄ – принятые условные обозначения фазовых превращений.

Важнейшей особенностью кристаллического состояния является упорядоченное расположение частиц вещества. Если вписать кристаллическую решетку в систему координат, то по расстоянию между ближайшими частицами в кристалле и углам между осями координат можно рассчитать взаимное расположение частиц в твердом теле. Для дальнейшего изучения кристаллического строения в кристаллической решетке можно выделить элемент объема из минимального количества частиц (атомов), многократным переносом (трансляцией) которого в пространстве можно построить весь кристалл.

В сталях основными являются три структуры: аустенит – твердый раствор углерода в γ – Fe [Fe _γ(С)]; мартенсит – пересыщенный, частично упорядоченный твердый раствор углерода в α – Fe [Fe _γ(С)]; перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита [Fe_α + Fe₃ С]. Переход из одной структуры в другую характеризует основные превращения при термической обработке:

- первое превращение – это превращение перлита в аустенит, которое происходит при нагреве: П→А

- второе превращение – это превращение аустенита в феррито-цементитные смеси разной дисперсности в зависимости от скорости охлаждения: А→Ф+Ц;

- третье превращение заключается в превращении аустенита в мартенсит А→М при быстром охлаждении (при закалке);

- четвертое превращение заключается в разложении мартенсита при отпуске закаленной стали (М → продукты распада).

Любой технологический процесс термической обработки состоит из определенных комбинаций этих четырех превращений.

Дата добавления: 2015-04-23