3.3. Изменения структуры сталей при охлаждении
Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии. Ниже рассматриваются превращения, протекающие в железоуглеродистых сплавах при охлаждении из однофазной аустенитной области.
По содержанию углерода различают однофазное (сплав I) и двухфазное (сплав II) техническое железо (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Часть диаграммы состояния «Fe – Fe3C» для сплавов, не испытывающих эвтектоидное превращение
При охлаждении сплава I от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит.
При охлаждении сплава II после образования феррита (точки 3 – 4), начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (линия PQ на диаграмме). Структура сплава состоит из феррита и цементита в виде прослоек по границам ферритных зерен.
Рассмотренные сплавы широкого применения в промышленности не имеют. Широкое промышленное применение имеют стали. Рассмотрим превращения при охлаждении аустенита, содержание углерода в котором находится в пределах 0,02–2,14% (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Часть диаграммы состояния «Fe – Fe3C» для сплавов, испытывающих эвтектоидное превращение
Сплав II с содержанием углерода 0,8% называется эвтектоидной сталью. В ней по линии PSK происходит эвтектоидное превращение, т. е. из аустенита выделяются феррит и цементит. Смесь двух фаз называют перлитом (рис. 3.5б). Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре ≈ 727 °С.
|
|
|
|
|
а) |
б) |
в) |
Рис. 3.5. Микроструктура доэвтектоидной (а) эвтектоидной (б) и заэвтектоидной (в) стали
Сплав I с содержанием углерода менее 0,8 % называют доэвтектоидной сталью. В интервале температур точек 1 – 2 имеем частичное превращение аустенита в феррит. При температуре точки 2 (на линии PSK) происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. Конечная структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита (рис. 3.5а). Количество феррита и перлита зависит от содержания углерода в стали. Чем больше углерода, тем больше в структуре стали перлита.
Сплав III с содержанием углерода более 0,8% называют заэвтектоидной сталью. В интервале температур точек 3 – 4 из аустенита выделяется вторичный цементит. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. При температуре точки 4 на линии PSK происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. Конечная структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и цементита (рис. 3.5в).
3.4. Изменение структуры чугунов при охлаждении
Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 % и имеющие в своей структуре цементит называются белыми чугунами. Рассмотрим превращение в чугунах (рис. 3.6).
Сплав II с содержанием углерода 4,3%, называемый эвтектическим чугуном, кристаллизуется по эвтектоидной реакции с одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точки Е и цементита. Образующаяся смесь называется ледебуритом.
Рис. 3.6. Часть диаграммы состояния «Fe – Fe3C» для высокоуглеродистых сплавов (чугунов)
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 (727 °С) аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит. Конечная структура эвтектического чугуна представляет собой ледебуритную смесь из перлита и цементита.
Сплав I с содержанием углерода 2,14–4,3% называется доэвтектическим чугуном. Кристаллизация начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. Этот процесс идет в интервале температур точек 1 – 2. При температуре точки 2 образуется эвтектика (ледебурит). При дальнейшем охлаждении из аустенита, структурно свободного и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при 727 ºС (линия PSK) превращается в перлит. Конечная структура доэвтектического чугуна состоит из перлита, цементита и ледебурита.
Сплав III с содержанием углерода более 4,3% называется заэвтектическим чугуном. Кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора цементита первичного. Этот процесс идет в интервале температур точек 5 – 6. Кристаллизация закачивается при температуре точки 6 (линия ECF) эвтектическим превращением с образованием перлита. При дальнейшем охлаждении превращения в твердом состоянии такие же, как в сплаве I. Конечная структура заэвтектического чугуна состоит из цементита и ледебурита.