Нонваріантні перетворення на діаграмі Fe–Fe3c

При температурі 727 °С в системі протікає евтектоїдне перетворення

А _(S=0,8%C) ^727C П(Ф_(P=0,02%C)+Ц_(K=6,67%C) ),

в результаті якого утворюється евтектоїдна (механічна) суміш фериту та цементиту, яка утворюється при 727 °С і вмісті вуглецю 0,8 %, та має назву перліт (П). Залежно від будови перліту змінюються і його властивості. Так, пластинчастий перліт більш твердий, крихкий та міцніший за зернистий (160...230 НВ; _в = 600...800 МПа; = 15...20%).

При температурі 1147 °С відбувається евтектичне перетворення

Р _(С=4,3%C) ^1147C Л^В(А_(Е=2,14%C)+Ц_(F=6,67%C))_,

в результаті якого утворюється евтектична суміш аустеніту і цементиту (вище 727 °С) і називається високотемпературний ледебурит (Л^В), або перліту і цементиту (нижче 727 °С) – низькотемпературний ледебурит (Л^Н). Він утворюється при вмісті вуглецю 4,3 % за температури 1147 °С, твердий (800 НВ) і крихкий. Це – структурна складова білих чавунів.

Основні лінії діаграми

Лінії діаграми стану системи Fe - Fe₃C (див. рис. 7.1) показують (визначають), за яких температур в залізовуглецевих сплавах відбуваються перетворення.

Лінія ABCD, що об'єднує точки початку кристалізації розплавів з різним вмістом вуглецю, називається лінією ліквідусу.

Лінія AHIECF, що відповідає точкам закінчення криста­лізації, називається лінією солідусу.

GOS – лінія верхньої границі області рівноваги - і -фаз. При охолодженні по цій лінії почи­нається виділення -фази (при нагрівання – - фази).

SE – лінія початку перетворення аустеніту з утворенням цементиту.

PQ – лінія початку виділення цементиту (третинного) при охолодженні або розчинення третинного цементиту при нагріванні.

Однофазні області -фериту, -фериту та аустеніту обмежені відповідно лініями AHN, GPQ і NIESG.

Сплави по лінії ECF, що відповідає евтектичній температурі 1147 °С, складаються з рідини, аустеніту і цементиту.

Сплави на лінії PSK, яка відповідає евтектоїдній температурі 727 °С, складаються з аустеніту, фериту і цементиту. При температурах 768 °С (лінія МО для сталі) і 210 °С (для чавуну) спостерігається магнітне перетворення відповідно фериту і цементиту.

Характерні точки

Ці точки відповідають певним температурам і концентраціям вуглецю (мас. %).

Точка А відповідає температурі плавлення (або тверднення) чистого заліза (1539 °С).

Точка С вказує на вміст вуглецю (4,3 %) у рідкій фазі в стані рівноваги з аустенітом при евтектичній температурі (1147 °С).

Точка Е відповідає 2,14 % С в аустеніті, що перебуває в рівновазі з цементитом при евтектичній температурі.

Точка S відповідає 0,8 % С в аустеніті, який перебуває в рівновазі з перлітом (ферит + цементит) при евтектоїдній температурі (727 °С).

Точка Р відповідає 0,02 % С – граничній кількості вуглецю, розчиненого у фериті, що перебуває у рівновазі з аустенітом і цементитом при евтектоїдній температурі.

Фазові та структурні перетворення залізовуглецевих сплавів

Ч исте залізо. При охолодженні розплаву чистого заліза перша температурна зупинка на графіку охолодження (рис. 7.2) 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 а = 2,93 Å. При температурі 1400 °С ця форма заліза переходить в -залізо і змінює кристалічну гратку на кубічну гранецентровану (ГЦК) з параметром а = 3,64 Å. При подальшому зниженні температури до 911 °С -залізо переходить у -залізо з об'ємноцентрованою кубічною граткою і параметром a = 2,90 Å. Подальше охолодження до 768 °С призводить до перетворення немагнітного -заліза у магнітне -залізо з ОЦК-граткою і параметром а = 2,86 Å.

Наявність кількох алотропічних модифікацій заліза залежно від температури позначається на процесах формування структури і властивостей залізовуглецевих сплавів.

Рис. 7.2. Крива охолодження чистого заліза.

Технічне залізо. При охолодженні розплаву технічно чистого заліза (містить 0,02 % С) кристалізація сплаву (рис. 7.3, сплав 1) починається при деякому переохолодженні відносно лінії АВ з утворенням кристалів -фериту. 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. 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 →, яке відбувається в інтервалі температур (точки 6...7) 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.

Рис. 7.3. Частина діаграми стану Fe-C і

схеми структуроутворення маловуглецевих сталей.

Формування структури сталей. Залежно від вмісту вуглецю сталі поділяють відповідно до діаграми стану:

• доевтектоїдні (від 0,025 до 0,8 % С),

• евтектоїдні (0,8 % С)

• заевтектоїдні (більше 0,8 % і до 2,14 % С).

При охолодженні доевтектоїдної сталі (сплав II рис. 7.3) 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.

В евтектоїдній сталі (сплав III рис. 7.3) 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.

У заевтектоїдній сталі (сплав IV рис. 7.3) 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.

Формування структури білих чавунів. У білих чавунах весь надлишковий вуглець перебуває у зв'язаному стані, тобто у вигляді цементиту – Fe₃C. Структура чавуну формується за умов не дуже повільного охолодження розплаву відповідно до метастабільної діаграми системи залізо – цементит.

Схеми структурних змін під час кристалізації чавунів з різним вмістом вуглецю (доевтектичного, евтектичного, заевтектичного) наведено на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Частина діаграми стану Fe-C і

схеми структуроутворення чавунів.

Розглянемо формування структури доевтектичного чавуну. Його кристалізація (рис. 7.4, сплав I) відбувається в два етапи. В інтервалі температур точок 1...2 кристалізується аустеніт. При цьому склад рідкої фази змінюється відповідно нахилу лінії ВС діаграми, тобто розплав збагачується вуглецем. При евтектичній температурі концен­трація рідкої фази буде відповідати точці С, тобто буде евтектичною. Евтектичний розплав, при деякому переохолодженні відносно евтектичної температури (1147 °С), кристалізується в евтектику, яка складається з суміші аустеніту і цементиту (ледебурит). Провідною фазою під час евтектичної кристалізації є цементит, пластини якого пересікаються гілками аустеніту. По закінченні кристалізації структура чавуну складається з аустеніту та ледебуриту.

При подальшому охолодженні в інтервалі температур точок 2...З аустеніт збіднюється вуглецем відповідно до лінії ES діаграми. З нього виділяється вторинний цементит, який може нашаровуватись на цементит ледебуриту, утворювати приграничну сітку або відманштетові пластини. Здебільшого вторинний цементит у чавуні не є самостійною структурною складовою. При переохолодженні відносно евтектоїдної лінії діаграм аустеніт складу точки S перетво­рюється на евтектоїд – перліт. Таким чином структура доевтектичного білого чавуну буде складатись з перліту і ледебуриту. Оскільки у ледебуриті аустеніт також перетворився на перліт, такий ледебурит інколи називають видозміненим.

Користуючись діаграмою, неважко визначити, що структура евтектичного чавуну (рис. 8.4, сплав II) після повного охолодження являє собою ледебурит (видозмінений), а заевтектичного (сплав III) складається з первинного цементиту і ледебуриту.

Практична частина

1. Побудувати діаграму стану залізовуглецевих сплавів.

2. Позначити буквами її вказати значення температур і вміст вуглецю.

3. Описати фази і структурні складові сплавів, вказати їх області на діаграмі.

4. Записати і пояснити реакції утворення фаз і структурних складових в залізовуглецевих сплавах згідно їх діаграмі.

5. Побудувати криву охолодження для заданого викладачем сплаву, пояснити всі перетворення які відбуваються в цьому сплаві, вказати число ступіней вільності для кожної ділянки та замалювати мікроструктуру.

6. Зробити висновки і написати звіт.

Контрольні запитання.

1. Чим відрізняються сталь і чавун?

2. Чим відрізняються метастабільна і стабільна діаграма стану системи залізо-вуглець?

3. Вкажіть основні лінії діаграми залізовуглецевих сплавів системи .

4. Вкажіть особливі точки на діаграмі залізовуглецевих сплавів системи .

5. Які основні фази утворюються в залізовуглецевих сплавах (сталях, чавунах)?

6. Які перетворення відбувається в залізовуглецевих сплавах згідно діаграмі?

7. Які поліморфні модифікації заліза ви знаєте?

Лабораторна робота № 6

ДОСЛІДЖЕННЯ МІКРОСТРУКТУРИ ВУГЛЕЦЕВИХ СТАЛЕЙ, БІЛИХ І СІРИХ ЧАВУНІВ

Мета роботи - ознайомитись з мікроструктурою і твердістю вуглецевих сталей в рівноважному стані, та з мікроструктурами білих і сірих чавунів

Основні положення і зміст роботи

ВУГЛЕЦЕВІ СТАЛІ

Під рівноважним розуміється стан, який відповідав мінімальному значенню вільної енергії. Він досягається при дуже малих швидкостях охолодження.

Сталями називаються залізо - вуглецеві сплави при вмісті вуглецю до 2,14%. Технічні сталі мають постійні і заховані домішки. Але фазовий і структурний стани залізовуглецевих сплавів у рівноважному стані досить точно вказує подвійна діаграма стану залі­зо - вуглець. Існує дві діаграми стану залізовуглецевих сплавів: стабільна (залізо – графіт) і метастабільна (залізо – цементит).

Найбільше значення має метастабільна діаграма залізо - цементит (рис.9.1).При вивченні діаграми необхідно відрізняти поняття: компоненти, фази і структурні складові.

Компонентами називаються речовини, які складають сплав. У даному випадку це залізо і вуглець (цементит). Фазою називається однорідна частина системи, яка відокремлена від інших частин поверхнею розподілу, при переході через яку хімічний склад або структура речовини змінюється стрибкоподібне. У даній системі зустрічаються чотири фази: рідина, тверді розчини - ферит і аустеніт та хімічна сполука – цементит.

Аустеніт (А) - твердий розчин проникнення вуглецю в – залізі. Аустеніт має кубічну гранецентровану ґратку з координаційним числом 12 (ґратка КІ2).

Гранична розчинність вуглецю в - залізі становить 2,14%. Аустеніт немагнітний, пластичний.

Ферит (Ф) - твердий розчин проникнення вуглецю в - залізі. Ферит має кубічну об’ємноцентровану кристалічну ґратку з координаційним чис­лом 8 (ґратка К8 ). Гранична розчинність вуглецю в - залізі стано­вить 0,025%. Ферит до 768°С феромагнітний, пластичний.

Цементит - хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза, , Ц) містить 6,67% вуглецю, має високу твердість і малу пластичність.

Кожна точка діаграми стану залізо - цементит характеризує рівноважний стан сплаву залежно від температури і концентрації. Лінія АСD - лінія ліквідує. Вище цієї лінії всі сплави знаходяться в рідкому стані. Лінія АЕСF - лінія солідус. Нижче цієї лінії всі сплави знаходяться у твердому стані. Всі сталі (0,025...2,14%С) кристалізуються в інтервалі температур і після первинної кристалізації (з рідини) мають аустенітну структуру.

При охолодженні сталей до температури, що відповідає лінії GSE, фазових перетворень не відбувається. Лінія GSE характе­ризує початок вторинної кристалізації - початок фазових перетворень у сталях у твердому стані. Так, у сталі з 0,8%-м вмістом вуглецю при 727°С (точка S) з аустеніту утворюється механічна суміш фериту і цементиту, яка називається перлітом:

Вміст вуглецю в перліті дорівнює 0,8% (рис.8.2,. в). Перетво­рення аустеніту в перліт відбувається при постійній температурі і називається евтектоїдним перетворенням.

Р ис. 8.1. Діаграма стану залізо – цементит ( )

Рис. 8.2. Схема мікроструктури вуглецевих сталей:

а, б - доевтектоїдні (сталь 20 та сталь 45); в - евтектоїдна (У8); г ‑ заевтектоїдна (УІ2). Структурні складові: 1 - ферит, 2 ‑ перліт, 3 - цементит (вторинний)

Сталь з вмістом вуглецю 0,8% називається евтектоїдною. Сталі, що містять вуглецю від 0,02 до 0,8%, належать до доевтектоїдних. Заевтектоїдні сталі містять вуглецю від 0,8 до 2,14%.

При охолодженні доевтектоїдних сталей в інтервалі температур між лініями GS t PS з аустеніту утворюється ферит, який містить мало вуглецю. Для визначення концентрації вуглецю у фериті і від­повідно в аустеніті користуються правилом відрізків (відповідно проекціями точок а і с на вісь концентрації), а співвідношення між фазами визначається як Ф : А = bc : ab (див. рис. 8.1).

Внаслідок утворення фериту при подальшому охолодженні доевтек­тоїдних сталей концентрація вуглецю в аустеніті збільшується і при 727°С становить 0,8%. Створюються всі умови для проходження евтектоїдного перетворення, після закінчення якого структура цих сталей складається з фериту і перліту (рис. 8.2, а, б). Кількість перліту в сталі змінюється пропорційно вмісту вуглецю.

Структура заевтектоїдних сталей складається з перліту і вторин­ного цементиту, при повільному охолодженні вторинний цементит кристалізується по межах зерен аустеніту (внаслідок зменшення розчинності вуглецю в аустеніті - лінія ЕS), утворюючи тверду й крихку оболонку, яку у вигляді сітки можна побачити під мікроскопом (рис. 8.2,г).