Превращения в сплавах системы железо-цементит.

Диаграмма состояния (рис. 3.12) характеризует фазовый состав и превращения в системе железо — цементит . Особенность диаграммы — наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в табл. 3.1. Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а точка -температуру плавления цементита. Точки и соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

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

перитектическое превращение на линии HJB (1499 °С)

эвтектическое превращение на линии

эвтектоидное превращение на линии

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

Эвтектоид-перлит (содержит 0,8 %С) и эвтектику-ледебурит рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: стО При охлаждении ледебурита до температур ниже линии входящий в него аустенит превращается в перлит, и при температуре 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 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 температуре а сплавов железа с углеродом в интервале температур. Рассмотрим вначале верхний участок диаграммы состояния (рис. 3.13), где происходит перитектическое превращение.

Рис. 3.13. Часть диаграммы состояния для сталей, испытывающих перитектическое превращение

Сплав I, содержащий менее не испытывает перитектического превращения. Он кристаллизуется в интервале температур точек 1-2. 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 3-4 происходит перекристаллизация феррита в аустенит, вызванная полиморфизмом железа.

Сплав III, содержащий при кристаллизации из жидкой фазы в интервале температур точек 8 9, образует кристаллы феррита, которые при температуре точки 9 имеют состав точки Н, а оставшаяся жидкость состав точки В. При температуре протекает перитектическая реакция. Кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой, и образуются кристаллы аустенита состава точки 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%. В интервале температур точек 5-6 выделяется феррит. При температуре точки 6 в сплаве II содержатся избытки феррита. В результате перитектический процесс заканчивается образованием новой фазы

аустенита при сохранении некоторого количества феррита:

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

Сплавы типа IV содержат углерод от 0,16 до 0,51%. 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:

При дальнейшем охлаждении в интервале температур точек 11-12 оставшаяся жидкая фаза затвердевает, образуя аустенит. Концентрация углерода в аустените ниже температуры точки 11 изменяется по линии

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

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

Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Часть диаграммы состояния для сплавов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное превращение

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

Если углерода содержится меньше (сплав то при охлаждении от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до температуры 20-25°С (рис. 3.15, а).

При содержании углерода в техническом железе больше 0,0002%, как в сплаве II, 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 рис. 3.14). Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен (рис. 3.15, б). Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.

При температуре 20-25 °С 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 (см. рис. 3.14) с содержанием

Рис. 3.15. Микроструктура технически чистого железа:

0,8%. С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит. Такую смесь двух фаз называют перлитом (рис. 3.16,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 1 (см. рис. 3.14, б) с содержанием углерода менее называют доэвтектоидной сталью. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1—2. При температуре точки b фазовый состав сплава Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков ab и he.

При температуре точки 2 сплав имеет фазовый состав с количественным соотношением фаз соответственно . В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали (рис. 3.16, а).

Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к

Рис. 3.16. Микроструктура сталей: а — доэвтектоидная, б — эвтектоидная; в — заэвтектоидная,

Рис. 3.17. Часть диаграммы состояния для высокоуглеродистых сплавов

эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание углерода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее структуру в стабильном состоянии.

Сплав -заэвтектоидная сталь . Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3—4 предшествует выделение из аустенита вторичного цементита Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии диаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4 аустенит в стали обедняется углеродом до и на линии испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой (рис. 3.16, в). Максимальное количество структурно свободного цементита 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. 3.17) - эвтектический белый чугун кристаллизуется при эвтектической температуре изотермически с одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точки Е и цементита. Образующаяся смесь этих фаз названа ледебуритом. Фазовый состав ледебурита, как и любой эвтектики, постоянен и определяется отношением отрезков

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

В доэвтектических белых чугунах кристаллизация сплава начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. В сплаве I этот процесс идет в интервале температур точек 1—2. При температуре точки 2 образуется эвтектика (ледебурит) по реакции

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

Структура доэвтектического белого чугуна показана на рис. 3.18, а. Крупные темные поля на фоне ледебуритаперлит, образовавшийся из структурно свободного аустенита.

Сплав III - заэвтектический белый чугун . В заэвтектических чугунах кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита, который выделяется в интервале температур точек 5-6; при этом состав жидкой фазы изменяется согласно линии 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 температуре 20-25 °С показана на рис. 3.18, б. В ледебурите видны

Рис. 3.18. Микроструктура белых чугунов: а — доэвтектический; б - заэвтектический,

темные участки перлита; резко выделяются крупные пластинки первичного цементита.