Калин Физическое материаловедение Том 2 Основы материаловедения 2007

точке Кюри (ее называют точкой А2) пространственная решетка не меняется и модификация γ-железо неферромагнитна. Критическую точку превращения α → γ при 910 °С обозначают А3. Критические точки при нагреве обычно обозначают индексом c, а при охлаждении – r, т.е. мы будем иметь при нагреве Ac3, а при охлаждении Ar3. Критическую точку перехода γ→δ при 1392 °С обозначают А4.

В системе Fе–С, кроме жидкой фазы, представляющей собой раствор углерода в жидком железе, и двух твердых растворов углерода в α-железе (феррит) и γ-железе (аустенит), содержатся

также графит и карбид железа Fе3С, называемый цементитом. Феррит (Ф) – твердый раствор углерода (и других элементов)

в α-железе. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29 атомного радиуса железа RFe, а также в вакансиях, на дислокациях и т.д. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (рис. 5.44,а).

Аустенит (А) – твердый раствор углерода (и других элементов) в γ-железе. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14 %. Атом углерода в решетке γ-железа располагается в центре элементарной ячейки, в которой может поместиться сфера радиусом 0,41 RFe (RFe – атомный радиус железа), и в дефектных областях кристалла. Микроструктура аустенита – полиэдрические зерна (рис. 5.44,к).

Цементит (Ц) – это химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67 %С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается примерно равной 1550 °С. До температуры 210 °С (точка Ао) цементит ферромагнитен. К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость (Hv = 800 – 850) и очень малая пластичность. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

301

Рис. 5.44. Микроструктура стали в зависимости от содержания углерода (х450):

а– техническое железо, б – 0,1 % С, в – 0,22 % С, г – 0,3 % С, д – 0,4 % С,

е– 0,55 % С, ж – 0,8 % С, з – 1,3 % С, и – 1,1 % С, к – аустенит

302

Графит имеет кристаллическую решетку – гексагональную слоистую. Межатомные расстояния в решетке небольшие и составляют 0,142 нм, расстояние между плоскостями 0,340 нм. Графит мягок и обладает низкой прочностью.

Если в равновесии с жидкой фазой, аустенитом и ферритом находится графит, то равновесие является стабильным. В случае, когда в равновесии с этими фазами, т. е. растворами на базе железа, находится цементит, равновесие является метастабильным. В обоих случаях равновесию любого сплава Fe–С заданного состава соответствует минимум термодинамического потенциала, но его минимальное значение в случае стабильного равновесия меньше, чем в случае метастабильного равновесия.

На диаграмме равновесия Fe–С (рис. 5.43) показаны линии метастабильного (сплошные) и стабильного (штриховые) равновесия. Дублирование относится к тем линиям, которые характеризуют равновесие с участием цементита или графита (Г). Это линии EF, CD, SE, РK и PQ. Фазовые равновесия без участия этих фаз описываются линиями, которые не дублируются и относятся в равной мере к обеим системам – стабильной и метастабильной (АВ, ВС,

АН, NJ, HВ, GP, GS).

На диаграмме равновесия Fe–С имеются следующие линии:

в области затвердевания или плавления:

АВ – линия ликвидуса (граница области L + δ);

ВС – линия ликвидуса (граница области L + γ); CD – линия ликвидуса (граница области L + Fe3C); C'D' – линия ликвидуса (граница области L + Г); АН – линия солидуса (граница области L + γ);

НВ – линия перитектического равновесия (при охлаждении соединение жидкости состава В с δ-фазой состава Н и образование γ- фазы состава J; для сплавов участка HJ – линия солидус);

EF – линия солидуса – линия эвтектического равновесия (аустенит состава Е, цементит, жидкость состава С);

E'F' – линия солидуса – линия эвтектического равновесия (аустенит состава Е', графит, жидкость состава С');

в области затвердевших сплавов:

NH – верхняя граница области равновесия δ + γ (при охлажденииначалопревращенияδ →γ);

303

NJ – нижняя граница области равновесия δ + γ (при охлаждении конец превращения δ →γ);

GO – верхняя граница области равновесия β + γ (при охлаждении начало выпадения из аустенита неферромагнитного феррита – β-фазы);

OS – верхняя граница области равновесия α + γ (при охлаждении начало выпадения из аустенита ферромагнитного феррита – α- фазы);

SE – линия ограниченной растворимости Fe3C в аустените (γ- фазе);

S'E' – линия ограниченной растворимости графита в аустените

(γ-фазе);

GP – граница области равновесия α(β) + γ (при охлаждении конец превращения аустенита в феррит);

МО – температура Кюри (при охлаждении переход неферромагнитного феррита в ферромагнитный; превращение β → α);

РK – линия эвтектоидного равновесия (при охлаждении распад аустенита состава S на феррит состава Р и цементит);

Р'K' – линия эвтектоидного равновесия (при охлаждении распад аустенита состава S' на феррит состава Р' и графит);

PQ – линия ограниченной растворимости цементита в феррите. Концентрации углерода (% по массе), соответствующие сле-

дующим точкам пересечения указанных линий:

В – 0,51 – содержание углерода в жидкой фазе, находящейся в равновесии с α- и γ-фазами при перитектической температуре;

С – 4,3 – содержание углерода в жидкой фазе, находящейся в равновесии с аустенитом и цементитом при эвтектической температуре;

С' – 4,25 – содержание углерода в жидкой фазе, находящейся в равновесии с аустенитом и графитом при эвтектической температуре;

Н – 0,1 – предельное содержание углерода в δ-фазе, находящейся в равновесии с аустенитом и жидкой фазой при перитектической температуре;

J – 0,16 – содержание углерода в аустените, находящемся в равновесии с δ-фазой и жидкой фазой при перитектической температуре;

304

Е – 2,14 – предельное содержание углерода в аустените, находящемся в равновесии с цементитом при эвтектической температуре; Е' – 2,10 – предельное содержание углерода в аустените, находящемся в равновесии с графитом при эвтектической температуре; S – 0,80 – содержание углерода в аустените, находящемся в равновесии с ферритом и цементитом при эвтектоидной температуре; S' – 0,69 – содержание углерода в аустените, находящемся в равновесии с ферритом и графитом при эвтектоидной температуре; Р – 0,02 – предельное содержание углерода, растворенного в феррите, находящемся в равновесии с аустенитом и цементитом

при эвтектоидной температуре (727 °С);

Q – 0,01 – предельная растворимость углерода в феррите при комнатной температуре;

О – около 0,5 – содержание углерода в аустените. При большем содержании из аустенита выпадает ферромагнитный феррит (α- фаза), при меньшем-неферромагнитный (β-фаза).

В системе Fe–С безвариантные равновесия в изобарических условиях наблюдаются при температурах, °С:

1493 – перитектическое (линия HJB);

1153 – эвтектическое (линия E'C'F');

1147 – эвтектическое (линия ECF);

738 – эвтектоидное (линия P'S'K');

727 – эвтектоидное (линия PSK).

Линия точек Кюри (магнитных превращений) для феррита соответствует 770 °С (линия МО), а для цементита 210 °С (на рис. 5.43 не показана).

Железоуглеродистые сплавы делятся на две большие группы в зависимости от содержания углерода. Сплавы, содержащие более 2,14 % С, называются чугунами. При затвердевании в них идет эвтектическое превращение. Сплавы, содержащие менее 2,14 % С, в ходе затвердевания которых нет эвтектического превращения, называются сталями.

Затвердевание. В сплавах, содержащих до 0,51 % С, при затвердевании в первую очередь выделяются кристаллы δ-фазы (феррита), их состав изменяется по линии АН. Состав жидкости изменяется по линии АВ. В сплавах, содержащих до 0,1 % С, затвердевание заканчивается образованием δ-раствора. При содержании

305

0,1–0,51 % С за выделением δ-фазы следует перитектическая реакция (при 1493 °С), в результате которой появляется γ-фаза (аустенит)

с0,16 % С. Аустенит образуется в результате соединения жидкости

с0,51 % С и феррита с 0,1 % С по реакции: LВ + ФH → AJ. В сплавах

с0,1–0,16 % С перитектической реакцией затвердевание заканчивается и в избытке остается δ-фаза (ее оставшееся количество изменяется от 100 % в точке Н до 0 % в точке J). В сплавах с 0,16–0,51 % С при перитектической реакции (1493 °С) полностью расходуется δ- фаза, а жидкая фаза остается в избытке, т.е. затвердевание не заканчивается. При дальнейшем охлаждении из жидкости выпадает γ-фаза (аустенит), причем состав жидкости и аустенита изменяется по линиям ВС и JЕ соответственно. Образованием γ-фазы затвердевание заканчивается.

Всплавах с 0,51–2,14 % С в период от начала до конца затверде-

вания из жидкости выпадает γ-фаза. Состав фаз изменяется по линиям ВС и JЕ.

В сплавах, содержащих от 2,14 до 4,3 % С (доэвтектические чугуны), при затвердевании сначала выпадает избыточный аустенит, состав которого, как и состав жидкой фазы, при охлаждении изменяется до начала эвтектического распада. Если затвердевание соответствует стабильному равновесию, то эвтектика состоит из аустенита и графита. По диаграмме равновесия аустенит должен содержать 2,10 % С, а эвтектика 4,3 % С (в среднем). В реальных условиях при переохлаждении содержание углерода в аустените и в эвтектике повышенное. Если затвердевание соответствует метастабильному равновесию, то при температуре 1147 °С (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция: LC → AE + Ц, в результате которой образуется эвтектическая смесь, которая называется ледебуритом. Реакция эта происходит у всех сплавов, содержащих углерода более 2,14 %.

Заэвтектические сплавы (4,3–6,67 % С) начинают затвердевать с понижением температуры до линии ликвидус CD. При этом в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита. Концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. После затвердевания заэвтектические сплавы состоят из первичного цементита и ледебурита. Фазовый

306

состав заэвтектических сплавов после затвердевания: аустенит и цементит.

Фазовые и структурные изменения в сплавах Fe–Fe3C после затвердевания. Полиморфные превращения в железе и изменение растворимости углерода в аустените и феррите с понижением температуры вызывают фазовые и структурные превращения. Эти превращения, протекающие в твердом состоянии описываются следующими линиями (см. рис. 5.43, 5.45).

Рис. 5.45. Диаграмма фазового равновесия системы сплавов Fe-С с указанием структурных составляющих

Линия NH – верхняя граница области сосуществования двух фаз – δ-феррита и аустенита. При охлаждении эта линия соответствует температурам начала полиморфного превращения δ- феррита в аустенит. Линия NJ – нижняя граница области сосуществования δ-феррита и аустенита, при охлаждении соответствует температурам окончания превращения δ-феррита в аустенит. Верхняя граница области сосуществования феррита (в парамагнитном

307

состоянии) и аустенита соответствует линии GO, т. е. температурам начала γ → α превращения с образованием парамагнитного феррита. Линия OS-верхняя граница области сосуществования феррита (в ферромагнитном состоянии) и аустенита; при охлаждении эта линия соответствует температурам γ → α превращения С образованием ферромагнитного феррита.

Температуры, соответствующие линии GOS в условиях равновесия, принято обозначать A3 (Ar3, Ac3).

В сталях, содержащих до 0,8 % С, полиморфное γ → α превращение протекает в интервале температур и сопровождается перераспределением углерода между ферритом и аустенитом.

Линия SE предельной растворимости углерода в аустените при охлаждении соответствует температурам начала выделения из аустенита вторичного цементита (ЦII), а при нагреве – концу растворения вторичного цементита в аустените. Принято критические точки, соответствующие линии SE, обозначать Асm. Линия GP при охлаждении отвечает температурам окончания превращения аустенита в феррит, а при нагреве – началу превращения феррита в аустенит.

Линия эвтектоидного превращения PSK при охлаждении соответствует распаду аустенита (0,8 % С) с образованием эвтектоида – феррито-цементитной (Ф + Ц) структуры, получившей название перлит: AS → ФP + Ц.

Температуры, соответствующие линии PSK, обозначают А1, при охлаждении Аr1, а при нагреве Ас1.

Изменение растворимости углерода в феррите в зависимости от температуры происходит по линии PQ. При охлаждении в условиях равновесия эта линия соответствует температурам начала выделения третичного цементита, а при нагреве – полному его растворению.

Сплавы, содержащие (менее или равно) 0,02 % С (точка Р), называют техническим железом. Эти сплавы испытывают при охлаждении и при нагреве полиморфное γ → α превращение между линиями GOS и GP. В этом интервале температур по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут в виде зерен, поглощая зерна аустенита.

308

Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении по достижении температур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит (третичный). Выделяясь по границам зерен, третичный цементит резко снижает пластичность феррита.

Стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С, называют доэвтектоидными. Как указывалось выше, эти стали после окончания кристаллизации состоят из аустенита, который не претерпевает изменений при охлаждении вплоть до температур, соответствующих линии

GOS.

При более низких температурах (ниже линии GOS) по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут, превращаясь в зерна. Количество аустенита уменьшается, а содержание в нем углерода возрастает, так как феррит почти не содержит углерода (менее или равно 0,02 % С).

При понижении температуры состав аустенита меняется по линии GOS, а феррита – по линии GP.

Чем выше концентрация углерода в стали, тем меньше образуется феррита. По достижении температуры 727 °С (А1) содержание углерода в аустените достигает 0,8 % (точка S). Аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию, распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих перлит.

Эвтектоидное превращение аустенита протекает при постоянной температуре 727°С. При наличии трех фаз (при этой температуре): феррит (0,02 % С), цементит (6,67 % С) и аустенит (0,8 % С)

– система нонвариантна (С = 2 – 3 + 1 = 0).После окончательного охлаждения доэвтектоидные стали имеют структуру феррит + пер-

лит (см. рис. 5.44,б, в, г и д).

Чем больше в стали углерода, тем меньше в структуре избыточного феррита и больше перлита. При содержании в стали 0,6–0,7 % С феррит выделяется в виде оторочки вокруг зерен перлита (рис. 5.44,е). Такая форма называется ферритной сеткой, так как при пересечении ферритных оболочек с плоскостью шлифа получается сетка. Зерна феррита и перлита тем мельче, чем мельче зерна аустенита, из которых они получились. В случае выделения феррита из крупных зерен аустенита при ускоренном охлаждении феррит

309

приобретает форму пластин и образуется т.н. видманштеттова структура.

Сталь, содержащую 0,8 % С, называют эвтектоидной. В этой стали по достижении температуры 727 °С (точка S) весь аустенит превращается в перлит, который имеет пластинчатое строение (см. рис. 5.44,ж), т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Толщина этих пластинок находится в соотношении 7,3 : 1. Количество феррита и цементита в перлите определяется из соотношения отрезков SK/PS (см. рис. 5.43). После специальной обработки перлит может иметь зернистое строе-

ние (см. рис. 5.44,и).

Стали, содержащие от 0,8 до 2,14 % С, называют заэвтектоидными. Выше линии ES в этих сплавах будет только аустенит. При температурах, соответствующих линии ES, аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при понижении температуры из него выделяется вторичный цементит. Поэтому при температуре ниже линии ES сплавы становятся двухфазными (А + ЦII) (см.

рис. 5.44,з).

По мере выделения цементита концентрация углерода в аустените уменьшается согласно линии ES. При снижении температуры до А1 (727 °С) аустенит, содержащий 0,8 % С (точка S), превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные стали состоят из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки по границам бывшего зерна аустенита или в виде игл (пластин), ориентированных относительно аустенита. Количество избыточного (вторичного) цементита возрастает с увеличением содержания в стали углерода.

Выделение вторичного цементита в виде сетки или игл делает сталь хрупкой. Поэтому специальной термической обработкой и деформацией ему придают зернистую форму. В доэвтектических чугунах, содержащих 2,14–4,3 % С, при понижении температуры, вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените (линия SE), происходит частичный распад аустенита – как первичных его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в ледебурит. Этот распад заключается в выделении кристаллов вторичного Fe3C и уменьшении в связи с этим содержания

310