Испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное превращение

При 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 (рис. 3, б) с содержанием 0,8 % С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSK происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит. Такую смесь двух фаз называют перлитом. Эвтектоидное превращение идет при постоянных температуре и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы и число степеней свободы равно нулю.

Сплав I (см. рис. 3, б) с содержанием углерода менее 0,8 % 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 А_с+Ф_α. Количественное соотношение аустенита и феррита соответствен­но определяется отношением отрезков ab и bс.

При температуре точки 2 сплав имеет фазовый состав A_S + Ф_P с количественным соотношением фаз соответственно Р2 и 2S. В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вме­сте с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали.

Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание угле­рода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее структуру в стабильном состоянии.

Сплав III (рис. 3, б) — заэвтектоидная сталь (> 0,8% С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 - 4 предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (Ц_II). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4 аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8 % и на линии PSK испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выгля­дят светлой сеткой. Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20 %) 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. 4) — эвтектический белый чугун (4,3 % С) кристаллизуется при эвтектической температуре изотермически с одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точки Е и цементита. Образующаяся смесь этих фаз, как известно, названа ледебуритом. Фазовый состав ледебурита, как и любой эвтектики, постоянен и определяется отношением отрезков.

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

В доэвтектических белых чугунах (< 4,3 % С) кристаллизация спла­ва начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. В сплаве I (см. рис. 4) 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 727 °С превращается в перлит.

Рисунок 4 – Часть диаграммы состояния Fe - Fе₃С

для высокоуглеродистых сплавов (чугунов)

Сплав III (см. рис. 4) - заэвтектический белый чугун (> 4, 3 % С). В заэвтектических чугунах кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита в интервале температур точек 5 — 6; при этом состав жидкой фазы изменяется согласно линии DC. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим пре­вращением, с образованием ледебурита. При дальнейшим охлаждении происходят превращения в твердом состоянии, такие же, как в сплаве II.

Превращения в сплавах системы железо — графит. Диаграмма состояния Fe - С нанесена на диаграмме состояния Fe -Fe₃C штриховыми линиями (рис. 5). Такой способ изображения систе­мы Fe - С дает возможность сравнивать обе диаграммы.

В системе Fe - С эвтектика образуется при 1153°С. Она содержит 4,26%С и состоит из аустенита и графита. Ее называют графитной эвтектикой.

Эвтектоидное превращение у сплавов системы Fe - С протекает при температуре 738 °С, причем эвтектоидная точка соответствует содержанию 0,7% С. Структура эвтектоида состоит из феррита и графита.

Эвтектоид называют графитовым. В интервале 1153 – 738°С из аустенита выпадает вторичный графит. При этом аустенит изменяет свой состав по линии Е S . Линия С' D' указывает изменение состава жидкой фазы во время кристаллизации первичного графита.

Рисунок 5 – Диаграмма состояния Fe – С

Чтение диаграммы состояния Fe - С принципиально не отличается от чтения диаграммы состояния Fe – Fe₃С, но во всех случаях из сплавов выпадает не цементит, а графит. Первичный графит и графит в эвтектике кристаллизуются путем образования и последующего роста зародышей. При этом кристаллы графита имеют сложную форму в виде лепестков, выходящих из одного центра. Вторичный графит и графит эвтектоида, как правило, выделяются на лепестках первичного и эвтектического графита. Железоуглеродистые сплавы могут кристаллизоваться в соответствии с диаграммой Fe - С только при весьма медленном охлаждении и наличии графитизирующих добавок (Si, Ni и др.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов позволяет установить температурные режимы кристаллизации сталей и белых чугунов, режимы горячей обработки давлением (ковки, прокатки, штамповки), режимы термообработки и

т. д.

При разборе диаграммы с устойчивыми химическими соединениями указывалось, что каждое устойчивое соединение можно рассматривать как компонент, и диаграмму можно рассматривать по частям, рассматривая только часть системы от железа до химического соединения (Fe₃C — цементит).

При очень медленном охлаждении кристаллизация может идти таким образом, что углерод будет выделяться в виде графита, а не цементита. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода в виде графита называются серыми чугунами.

Контрольные вопросы:

1 Назовите фазы образующиеся в системе Fe – Fe₃С, сравните их свойства.

2 Сравните фазовый и структурный состав стали и чугуна в зависимости от содержания углерода.

3 Почему сера, фосфор, кислород и водород относянся к вредным примесям?

4 Укажите положения основных критических точек на диаграмме Fe – Fe₃С. В чем состоят отличия в способах определения точек А_r и А_с?

5 Чем отличается эвтектическое превращение от перитектического и эвтектоидного? Как называются структуры, образующиеся в системе Fe – Fe₃С при этих превращениях?

Лекция № 15. Железо и его сплавы

Цели лекции:

1.Учебные:

- изучить классификацию углеродистых сталей;

- изучить влияние углерода и примесей на свойства стали;

- изучить структурные классы чугунов;

- знать процесс графитизации;

- знать влияние легирующих элементов.

2. Воспитательные:

- воспитание умений логического обобщения;

- воспитание сознательного отношения к учебным обязанностям.

3. Развивающая:

- развитие умения воспринимать учебный материал в готовом виде и осмысленно отображать его в конспекте.

Метод занятия: лекция

Время: 80 мин.

Место проведения: лекционный зал

Материальное обеспечение:

Плакаты:

1 Плакат с микроструктурой сплавов железа

Литература, использованная при подготовке к лекции:

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: учебник для машиностроительных вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение. 1980. – 493 с., ил.

2. Материаловедение. Учебник для вузов. Травин О.В., Травина Н.Т., М.: Металлургия, 1989. – 384 с.

3. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высш. шк., 2001. – 638 с.: ил.

4. Пейсахов А.М., Кучер А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник. 2-е издание. – СПб.: Изд-во Михайлова В.А., 2004. – 407 с.