4.2. Анализ процессов охлаждения железо углеродистых

сплавов различного состава

Диаграмма «железо-углерод» дает возможность проследить процессы фазовых превращений, происходящих при охлаждении сплава любого состава из жидкого состояния до комнатной температуры и прогнозировать их структуру. Для такого анализа необходимо внимательно изучить все области диаграммы и фазовый состав, соответствующий им. При изменении температуры сплава заданного состава происходит переход из одной фазовой области в другую, соответственно изменяется фазовый состав и структура сплава. Например, выше линии ABCD (см. рис.1) все сплавы системы «железо-углерод» находятся в жидком состоянии. При охлаждении ниже температур, соответствующих линии АВ происходит кристаллизация (затвердевание) с образованием δ-феррита. Сплавы охлажденные ниже линии ВС кристаллизуются с образованием аустенита. После охлаждения ниже линии CD происходит образование цементита.

В системе «железо-углерод» происходит три превращения. При 1499 °С (линия HJB) протекает перитектическая реакция:

L_B + Ф_H A_I ,

где L_B – жидкая фаза состава точки В, Ф_H - δ-феррит состава точки H, A_I – аустенит состава точки I. В результате этой реакции образуется аустенит. Реакция эта наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до 0,5%.

При 1147 ºС (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция:

L_С A_Е. + Ц.,

где L_С - жидкая фаза состава точки С, A_Е - аустенит состава точки Е, Ц – цементит. В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь аустенита и первичного цементита, которая называется ледебуритом. Реакция эта происходит у всех сплавов системы, с содержанием углерода более 2,14 %, т.е. в чугунах. Чугуны подразделяют на три группы: эвтектические, содержащие 4,3 % С, доэвтектические с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % С и заэвтектические, с содержанием более 4,3 % С.

При 727 °С (горизонталь РSК) протекает эвтектоидная реакция:

А_S Ф_Р + Ц.,

Где А_S - аустенит состава точки S, Ф_Р – феррит состава точки Р, Ц.- цементит. Продуктом превращения является эвтектоидная смесь феррита и третичного цементита, которая называется перлитом. Перлитное (эвтектоидное) превращение происходит во всех сплавах, содержащих свыше 0,02 % углерода, т. е. практически во всех промышленных железоуглеродистых сплавах. Обратите внимание на то что цементит , образующийся из жидкой фазы, называется первичным, а цементит , образующийся из аустенита называется вторичным. В зависимости от концентрации углерода различают три группы сталей: эвтектоидные, содержащие около 0,8 % С, структура которых состоит только из перлита; доэвтектоидные, содержащие меньше 0,8 % С, структура которых состоит из феррита и перлита, и заэвтектоидные, содержащие от 0,8 до 2 % С, структура которых состоит из перлита и цементита.

Представленные на диаграмме состояния линии и соответствующие им превращения, часто обозначают буквами с присвоенным им номером, увеличивающимся с ростом температуры и называют критическими точками. Так, например, превращение, происходящее при 727 °С обозначают А₁. В тех случаях, когда превращение происходит в процессе нагрева, его обозначают с индексом с например Ас₁, а при охлаждении с индексом r – Аr₁

Критические точки принадлежащие линии PSK обозначаются Ac₁, соответствуют эвтектоидной реакции и началу превращения перлита в аустенит. На линии МО точка Ас₂ соответствует магнитному превращению феррита. На линии GS точка Ас₃ соответствует концу превращения феррита в аустенит для доэвтектоидных сталей. Для заэвтектоидных сталей точка Ас₃ принадлежащая линии SE соответствует окончанию растворения вторичного цементита в аустените.

В соответствии с тем, что фазовые превращения при нагреве и охлаждении протекают с некоторым температурным гистерезисом, то при охлаждении критические точки обозначают с индексом r, например Ar₁. Точке Ас₂ соответствует магнитное превращение при температуре 768 °С, происходящее при нагреве образца. Напротив, точке Аr₂ соответствует магнитное превращение, происходящее при охлаждении образца.

Точке Ас₃ соответствует определенной температуре только при заданном составе и соответствует переходу α → γ. Следовательно, обратный переход γ→α характеризуется точкой Аr₃. Наконец, точка Ас₄ соответствует переходу от кристаллической решетки γ-аустенита к решетке δ-феррита. Обратное превращение δ→γ обозначается точкой Аr₄.

В приложении 1 приведен пример анализа процесса охлаждения стали а в приложении 2 приведена диаграмма «железо-углерод» на которой показана формирующаяся при охлаждении структура сталей и чугунов.