Лекція № 19-20: Кристалізація сталей

План

1. Перетворення в м’яких сталях

2. Перетворення в евтектоїдной сталі

3. Перетворення в доевтектоїдних сталях

4. Перетворення в заевтектоїдних сталях

Критичними точками сплаву називають точки, що відповідають значенням температур, при яких відбуваються певні перетворення. Критичні точки позначають особливими символами, введеними французьким ученим Ф. Осмондом. Вони дістали загальне застосування, оскільки скоротили характеристику перетво­рень, що проходять у сплавах заліза з вуглецем. Кожну критичну точку запропо­новано позначати великою літерою А з відповідним індексом справа (знизу). Отже, існують такі позначення:

А₁ — для точок, що відповідають лінії PSK, тобто евтектоідному перетворенню;

А₂ — для магнітного перетворення -заліза по лінії МО при 768 °С (точка Кюрі);

А₃ — для точок лінії GOS, тобто для алотропічного перетворення -заліза на -залізо, що відповідає початку виділення фериту з аустеніту;

А_ст — для точок лінії SE, що відповідають початку виділення вторинного надмірного цементиту з аустеніту (або завершення його розчинення);

А₄ — для переходу - заліза в - залізо і зворотного переходу (точки на лінії NH) при температурі 1392 °С і вище.

Практично встановлено, що температури критичних точок бувають різними залежно від того, відбувається нагрівання чи охолодження (тобто має місце термічний гістерезис). Тому треба вказати, про яку критичну точку йдеться — отриману при охолодженні чи нагріванні. Так, при охолодженні поруч з літерою А ставлять індекс r наприклад А_r1, А_r2 при нагріванні - індекс с, наприклад А_С1, А_С2

При охолодженні розплаву чистого заліза перша температурна зупинка на графіку охолодження спосте­рігається при температурі 1539 °С, коли залізо з рідкого стану пере­ходить у твердий. В результаті кристалізації утворюється -залізо з кристалічною граткою об'ємноцентрованого куба (ОЦК) з парамет­ром a = 2,93 . При температурі 1400 °С ця форма заліза переходить в - залізо і змінює кристалічну ґратку на кубічну гранецентровану (ГЦК) з параметром а = 3,64 . При подальшому зниженні темпера­тури до 911 °С -залізо переходить у -залізо з об'ємноцентрованою кубічною граткою і параметром а = 2,90 . Подальше охолодження до 768 °С призводить до перетворення немагнітного - заліза у магнітне -залізо з ОЦК-граткою і параметром а = 2,86 .

Технічне залізо. При охолодженні розплаву технічно чистого заліза (містить 0,02 % С) кристалізація сплаву почи­нається при деякому переохолодженні відносно лінії АВ з утворенням кристалів -фериту. Вони мають форму дендритів. Вміст вуглецю в -фериті зростає відповідно лінії АН, а в рідкій фазі— відповіднолінії АВ. При деякому переохолодженні відносно лінії АН кристалізація закінчується. Структура складається з рівновісних зерен -фериту.

Подальше охолодження сплаву 1 призводить до поліморфного перетворення , яке починається і закінчується при деякому переохолодженні відносно точок 4 і 5, розташованих на лініях HN і IN. Перетворення супроводжується перерозподілом вуглецю між феритом і аустенітом. При повільному охолодженні склад фаз змінюється відповідно нахилу вказаних ліній. По закінченні перетво­рення нижче точки 5 структура сплаву складається з рівновісних зерен аустеніту.

При температурах нижче точки 6 структура аустеніту знову стає нестабільною і починається поліморфне перетворення відбувається в інтервалі температур (точки 6...Т) і також супровод­жується перерозподілом вуглецю між фазами. Нижче точки 7 струк­тура сплаву складається з зерен фериту. В інтервалі точок 7...8 твердий розчин (ферит) є ненасиченим вуглецем, а нижче точки 8 він стає пересиченим і починає виділятись цементит (Fe₃C — надлиш­кова фаза). Цементит виділяється переважно по границях зерен, що негативно впливає на властивості технічного заліза. Тому на практиці намагаються гальмувати утворення такого (третинного) цементиту. Кінцева структура сплаву після повного охолодження складається з фериту та третинного цементиту.

Формування структури сталей. Залежно від вмісту вуглецю сталі поділяють у відповідності з діаграмою стану на доевтектоїдні (від 0,025 до 0,8 % С), евтектоїдні (0,8 % С) і заевтектоїдні (більше 0,8 % і до 2,14 % С). Відповідно кристалізація сталей може проходити в один, два або три етапи.

Кристалізація сталей з вмістом вуглецю, що відповідає сплавам а,II, б, починається з утворення -фериту. Під час охолодження склад цих кристалів змінюється відповідно нахилу лінії АН, а склад рідини — відповідно лінії АВ. При температурі лінії НІВ рідина (розплав) для всіх випадків приймає концентрацію вуглецю біля точки В, а кристали — біля точки Н.

За умови незначного переохолодження відносно лінії НІВ починається перитектична кристалізація, внаслідок якої за рахунок взаємодії кристалів - фериту та рідини утворюються кристали аусте­ніту. Перитектична кристалізація відбувається при постійній темпе­ратурі. Залежно від складу сталі вона може завершитись повним зникненням фаз, які існували раніше (сплав II), або зберегти надлишок - фериту (сплав а) чи рідини (сплав б). В останньому випадку відбувається третій етап кристалізації, під час якого в темпе­ратурному інтервалі між лініями НІВ та IE кристалізується аустеніт.

У сплавах III і IV кристалізація відбувається у температурному інтервалі між лініями ВС і IE. Кристали аустеніту ростуть у формі дендритів. У зв'язку з підвищеною рухливістю атомів вуглецю дендритна ліквація майже не спостерігається.

Подальше формування структури залежить від складу сталі. В евтектоїдній сталі (сплав III) аустеніт залишається стабільним при охолодженні до точки S. При охолодженні відносно цієї точки при постійній температурі відбувається евтектоїдне перетворення. В результаті утворюється структура, що складається з суміші зерен (пластин) - фериту і цементиту. Таку евтектоїдну суміш називають перлітом.

При охолодженні доевтектоїдної сталі (сплав II) нижче лінії GS аустеніт втрачає стабільність і починається поліморфне перетворення його у ферит. Кристали фериту утворюються переважно на стиках зерен аустеніту і ростуть здебільшого у вигляді рівновісних зерен. Перетворення супроводжується зміною складу аустеніту відповідно лінії GS. При евтектоїдній температурі 727 °С аустеніт завжди набуває евтектоїдної концентрації. При деякому переохолодженні відбу­вається евтектоїдне перетворення.

Таким чином, структура доевтектоїдної сталі буде складатись з фериту та перліту. Відносну кількість фериту і перліту у структурі доевтектоїдної сталі, а також аустеніту та фериту при евтектоїдній температурі можна визначити, користуючись правилом відрізків. Також можна вирішити зворотню задачу — орієнтовно визначити вміст вуглецю в сталі залежно від співвідношення в структурі фериту і перліту (за умови повільного охолодження).

У заевтектоїдній сталі (сплав IV) нижче лінії ES аустеніт стає пересиченим щодо вуглецю. Надлишковий вуглець виділяється з аустеніту у вигляді вторинного цементиту по границях аустенітних зерен. Під час охолодження в інтервалі температур перетворення аустеніт збіднюється вуглецем відповідно лінії ES. Як і в доевтектоїдній сталі, аустеніт при евтектоїдній температурі матиме евтектоїдну концентрацію вуглецю і при подальшому охолодженні за постійної температури перетвориться на перліт. Структура заевтектоїдної сталі складається з перліту і вторинного цементиту.

Перетворення при нагріванні сталей відбувається у зворотному порядку.

Питання для самоконтролю

1. Що таке м’яка сталь?

2. Як поділяються сталі за змістом вуглеця?

3. Що називається перлитом?

4. Як змінюються структури сталей при збільшенні вуглеця?

Дата добавления: 2015-06-25