7.3. Формування структур залізовуглецевих сплавів

Залізовуглецеві сплави, що вміщують до 0,025 % С (т. Р), називають технічним залізом. Залізовуглецеві сплави із вмістом вуглецю до 2,14 % називаються сталями. Причому сталі із складом до 0,8 % С (тобто до евтектоїдної точки 5) називають доевтектоїдними, сталь з 0,8 % С - евтектоїдною, а сплави із вмістом вуглецю більше ніж 0,8 % С (за точкою 5) - заевтектоїдними сталями.

Опис формування структур типових залізовуглецевих сплавів проводиться з використанням правила фаз і правила відрізків. При цьому важливо розуміти відмінність між фазовим складом і структурою сплаву.

Структура технічного заліза при кімнатній температурі склада­ється з фериту та третинного цементиту ЦIII, який виділяється з фериту при охолодженні відповідно лінії сольвусу РQ за рахунок зменшення розчинності у ньому вуглецю з 0,025 до 0,006 % С. Об'єм цих виділень незначний і вони розташовані окремими світлими острівцями по межах світлих феритових зерен.

При охолодженні типового доевтектоїдного сплаву I (0,4 % С) до температури точки 1 (рис. 7.8) відбувається просте фізичне охолоджен­ня рідкої фази (при цьому збільшується кількість і розмір фазових флуктуацій - потенційних зародків). При температурі, що відповідає точці 1 на лінії ліквідусу АВ, починається кристалізація рідкої фази з утворенням кристалів (зерен) фериту. Важливо пам'ятати, що в реальних умовах кристалізація починається при переохолодженні,

Рис. 7.8. Діаграма стану системи залізо-цементит і криві охолодження сталей (а) і чавунів (б)

тобто при температурах, нижчих від температур ліквідусу. При температурі 1499 °С (точка 2) проходить перитектичне перетворення:

Рв+бФн->Аj Враховуючи, що при охолодженні до температури точки 2 рідкої фази більше, (відрізок Н2>HJ, а фериту менше, ніж потрібно (відрізок 2В<JВ) для їх повного взаємного реагування, то частина рідкої фази залишається. Рідина кристалізується в інтервалі температур між точками 2 та 3. При цьому перитектичне перетворення відбувається при постійній температурі (С=К-Ф+1=2-3+1=0). При температурі т. З, що лежить на лінії солідусу, кристалізація сплаву І закінчується і далі, до т. 4, відбувається просте фізичне охолодження аустеніту. Починаючи з температури, що відповідає т. 5 на лінії GS і до температури 727 °С (т. 6), відбувається поліморфне перетворення аустеніту на ферит, пов'язане з перебудовою кристалічної ґратки ГЦК -на ОЦК. При цьому вміст вуглецю в аустеніті змінюється по лінії GS від т. 5 до т. 5 (до 0,8 % С при 727 °С). При досягненні цієї температури аустеніт складу т. 8 розпадається на перліт, тобто утворює ферито-цементитну (Ф+Ц) суміш. Це евтектоїдне перетворення, як і всі трифазні перетворення в двокомпонентних системах, відбувається при постійній температурі (С=2-3+1=0). Після закінчення евтектоїдного перетворення у структурі сплаву І залишаються світлі зерна фериту, що утворились у міжкритичному інтервалі температур А3...А1, та темні зерна перліту. Такою буде структура всіх доевтектоїдних сталей (рис. 7.9, а, д).

Евтектоїдна сталь при кімнатній температурі буде мати суто перлітну структуру (рис. 7.9, б, е).

Кристалізація типової заевтектоїдної сталі II (рис. 7.8) відбува­ється в інтервалі температур від т. б до т. 7(С=2-2+1=1), коли із рідкої фази з'являються зерна аустеніту. Після закінчення кристалізації, від температури т. 7 в однофазній, аустенітній області відбувається просте фізичне охолодження однофазного сплаву. Оскільки лінія ЕS - лінія сольвусу, тобто лінія обмеженої розчинності вуглецю в у-Fе, то нижче від т. 8 аустеніт стає пересиченим вуглецем. Надлишкові атоми вуглецю виходять із ґратки аустеніту, зв'язуються із атомами заліза у хімічну сполуку, утворюючи цементит. Такий цементит визначають як вторинний - ЦII. Він виділяється по межах аустенітних зерен у вигляді тонкого прошарку При охолодженні до 727 °С кількість вуглецю в аустеніті зменшується до 0,8 % (від т. 8 до т. 5 по лінії ÅS) і такий аустеніт при температурі т. 9 перетворюється на перліт. Структура всіх заевтектоїдних сталей - темні зерна перліту, оточені світлими прошарками вторинного цементиту (рис. 7.9, в).

Рис. 7.9. Мікроструктури сталей: а, д - доевтекгоїдної з 0,4 % С;

б, е - евтектоїдної з 0,8 % С; в, г, ж, к - заевтектоїдної з 1,2 % С

Рис. 7.9. Мікроструктури сталей: а, д - доевтектоїдної з 0,4 % С;

б, е - евтектоїдної з 0,8 % С; в, г, ж, к - заевтектоїдної з 1,2 % С

У доевтектичних чавунах (сплав III) первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур між точками 10 і 11 (1147 °С) з виділенням аустеніту. При цьому концентрація вуглецю в рідині підвищується від т. 10 до 4,3 % (т. С), після чого при постійній температурі (С=2-3+1=0) проходить евтектичне перетворення:

рс^л(ае+ц).

Після закінчення цієї реакції структура сплаву буде складатися з первинного аустеніту та ледебуриту. При зниженні температури з 1147 °С (т. 11) до 727 °С (т. 12) із аустеніту, в якому було 2,14 % С (т. £), за рахунок зменшення розчинності вуглецю до 0,8 % С (т. S), виділяється вторинний цементит U,{j, що розміщується навколо зерен аустеніту. Після проходження евтектоїдного перетворення А—>П кінцева структура доевтектичних чавунів буде складатися з темних зерен перліту, плямистої структури ледебуриту (темні плями перліту на фоні світлого цементиту) та світлого Цц, який у вигляді світлого ореолу оточує зерна перліту, що утворився з первинного аустеніту (рис. 7.10, а). Треба відзначити, що цей вторинний цементит важко відрізнити, тому що міжфазної межі між ним і цементитом ледебуриту немає. При охолодженні із аустеніту ледебурита виділяється також вторинний (Цц), а із фериту перліта - третинний цементит (Дщ) за рахунок зменшення розчинності вуглецю у фериті, відповідно до лінії сольвусу PQ. Але такі виділення під мікроскопом окремо не розрізняють: вони зливаються, відповідно, з цементитом ледебуриту і перліту (тобто об'єм такого цементиту дещо збільшується). Ті фази, що структурно не можна відрізнити, до структурного складу не записують. Необхідно зазначити, що зерна перліту в структурі доевтектичних чавунів найчастіше за все розміщуються один за одним. Це пояснюється тим, ню, як правило, площина шліфа перерізає поперек розташовані гілки дендритів перліту, на який перетворився первинний аустеніт.

Рис 710 Мікроструктури чавунів, а - доевтектичного; б - евтектичного;

в - заевтектичного

Структура евтектичних чавунів з 4,3 % С - суто ледебуритова (рис. 7.10, б).

Кристалізація заевтектичних чавунів (сплав IV) починається (т. 13) з утворення кристалів первинного цементиту (1^) у вигляді пластин. Виділення цементиту призводить до збідніння рідкої фази вуглецем. У т. 14, що лежить на лінії ECF, склад рідини відповідає т. С (4,3 % С) і починається процес евтектичної кристалізації. У результаті первинної кристалізації структура сплаву буде складатися з кристалів первинного цементиту Ц[ і ледебуриту. Така структура залишається і нижче 727 °С (т. 15) аж до кімнатної температури з тією різницею, що у ледебуриті замість аустеніту буде перліт (рис. 7.10, в).