Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ

КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ В СПЛАВАХ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

Железо и углерод — элементы полиморфные. Железо с температурой плавления 1539 ° С имеет две модификации — α и γ. Модификация Fеа существует при температурах до 911 ° С и от 1392 до 1539° С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм (при 20-25° С). Важной особенностью Fеа является его ферромагнетизм ниже температуры 768 ° С, называемой ТОЧКОЙ

КЮРИ.

Модификация Fе7 существует в интервале температур от 911 до 1392° С, и имеет ГЦК решетку, период которой при 911 ° С равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК. В связи с этим при Fеа —>F е7 объем железа уменьшается приблизительно на 1 %. Fе7 парамагнитно.

Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз. (Это используют при получении синтетических алмазов.)

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

ФЕРРИТ (обозначают Ф или А) — твердый раствор внедрения углерода в Fеа. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет лишь 0,02 %, в высокотемпературном — 0,1 %. Столь низкая растворимость углерода в Fеа обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться

в дефектах (вакансиях, дислокациях). Феррит —		мягкая, пластичная фаза со
следующими механическими свойствами: ΣВ = 300 МПа;			= 40 %; Ψ = 70 %;
КСU = 2,5МДж/м2; твердость — 80 - 100	НВ.
АУСТЕНИТ1 (обозначают А или	γ) —	твердый	раствор внедрения

углерода в Fе7. Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Fеγ значительно больше и достигает 2,14 %. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (160 - 200 НВ) при 20 - 25° С.

ЦЕМЕНТИТ (обозначают Ц) — карбид железа (почти постоянного состава) Fе3 С, содержит 6,69 % С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800 НВ) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при 210° С. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260° С.

ГРАФИТ — углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.

ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО — ЦЕМЕНТИТ Фазовый состав

Диаграмма состояния Ге - ГезС (см. рис. 4.11) характеризует фазовый состав и превращения в системе Ре - ГезС. Особенность диаграммы — наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в таблице

Таблица 4-1 - Х а р а к т е р н ы е т о ч к и д и а г р а м м ы

Обозначение точки	г, ° с	С, %
А	1539	0
Н	1499	0,1
J	1499	0,16
В	1499	0,51
N	1392	0
D	1260	6,69
Е	1147	2,14
С	1147	4,3
F	1147	6,69
G	911	0
Р	727	0,02
S	727	0,8
К	727	6,69

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а D — температуру плавления цементита. Точки N И G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

Превращения в сплавах системы Fе - FезС происходят как при за-

твердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (АВСD) и солидус (АHJЕСF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ЕS и РQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFКQ}). Выделяющийся из жидкости цементит называют первичным, из аустенита — вторичным, из феррита — третичным. Соответственно на диаграмме состояния СD — линия первичного цементита, ЕS — линия вторичного цементита; РQ; — линия третичного цементита. В системе Fе - FезС происходят три изотермических превращения:

перитектическое превращение на линии HJВ (1499° С)

ФH + Жв → АJ;

эвтектическое превращение на линии ЕС F (1147 ° С) ЖС→[АЕ+Ц]; эвтектоидное превращение на линии РSК (727 ° С)

А5-.[ФР + Ц].

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом}, эвтектоидная смесь феррита и цементита — перлитом.

Эвтектоид — перлит (0,8 %С) и эвтектику — ледебурит (4,3 %С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σв = 800...900 МПа; Σ02 = 450 МПа; δ ≤ 16%; твердость — 180. ..220 НВ. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SК входящий в него аустенит превращается в перлит, и при 20 - 25 ° С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещеНЫ колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (> 600 НВ) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали, содержащие до 2,14% С, и чугуны.

Кристаллизация сталей

Кристаллизация чистого железа протекает изотермически при 1539° С, а сплавов железа с углеродом — в интервале температур. Рассмотрим вначале верхний участок диаграммы состояния (рис. 4.12), где происходит перитектическое превращение.

Сплав I, содержащий менее 0,1 %С, не испытывает перитек-тического превращения. Он кристаллизуется в интервале температур точек 1-2. При этом составы жидкой фазы и феррита изменяются по обычным законам кристаллизации твердых растворов. Образуется зернистая структура, состоящая из кристаллов феррита. В интервале температур точек 3~4 происходит перекристаллизация феррита в аустенит, вызванная полиморфизмом железа.

Сплав III, содержащий 0,16 %С, при кристаллизации из жидкой фазы в интервале температур точек 8-9 образует кристаллы феррита, которые при температуре точки 9 имеют состав точки Н, а оставшаяся жидкость — состав точки В. При 1499° С протекает перитектическая реакция. Кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой, и образуются кристаллы аустенита состава точки /. Согласно правилу фаз перитектический процесс идет изотермически и при постоянной концентрации фаз, так как число степеней свободы при этом процессе равно нулю.

Сплавы типа 77 имеют содержание углерода от 0,1 до 0,16 %. В интервале температур точек 5-6 выделяется феррит. При температуре точки 6 в сплаве 77 содержится избыточный феррит. В результате перитектический процесс заканчивается образованием новой фазы аустенита при сохранении некоторого количества феррита:

ФН + ЖВ = АH + Фя(ост).

При дальнейшем охлаждении этот остаток феррита перекристаллизуется в аустенит с тем содержанием углерода, которое имеет сплав.

Сплавы типа IV содержат от 0,16 до 0,51 %С. При температуре точки 11 они имеют избыток жидкой фазы по сравнению со сплавом ///. В результате перитектический процесс заканчивается образованием аустенита при сохранении некоторого количества жидкой фазы:

Фн + Жв = AJ + Жв{ост).

При дальнейшем охлаждении в интервале температур точек 11 - 12 оставшаяся жидкая фаза затвердевает, образуя аустенит. Концентрация углерода в аустените ниже температуры точки 11 изменяется по линии JЕ.

Таким образом, все рассмотренные сплавы, лежащие ниже линий NJ и JЕ, находятся в твердом состоянии и имеют аустенитную структуру.

Превращения сталей в твердом состоянии

Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии, поэтому рассмотрим более подробно превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации (ниже линии NJЕ).

Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рис. 4.13, а).

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С (точка Р диаграммы), называют техническим железом.

Если углерода содержится меньше 0,0002 % (сплав I), то при охлаждении от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до 20 - 25 ° С (рис. 4.14, а).

При содержании углерода в техническом железе больше 0,0002 % (сплав II на рис. 4.13, а) после образования феррита, начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного

цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (см. линию РQ на рис. 4.13, А). Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен (рис. 4.14, Б). Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.

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 // (рис. 4.13, Б) с содержанием 0,8 % С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии РSК происходит эвтектоидное

превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02 % С и цементит. Такую смесь двух фаз называют перлитом (рис. 4.15, Б). Эвтектоидное превращение идет при постоянных температуре и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы и число степеней свободы равно нулю.

Сплав / (см. рис. 4.13, 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 Ь фазовый состав сплава Ас+Фа. Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков АB и bс.

При температуре точки 2 сплав имеет фазовый состав Аs + ФР 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 (рис.

4.15, а).

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. 4.13, б) — заэвтектоидная сталь (> 0,8% С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 - 4 предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (ЦII)-Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустени-те согласно линии ЕS диаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4 аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8 % и на линии РSК испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой (рис. 4.15,

е). 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 77 (рис. 4.16) — 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 Ц/AE= ЕС/СF.

При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ЕS вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8 % С. При температуре линии РSК 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 / (см. рис. 4.16) этот процесс идет в интервале температур точек 1-2. При температуре точки 2 образуется эвтектика (ледебурит) по реакции

Жс +АЕ -» [АЕ + Ц] + АЕ.

При последующем охлаждении из аустенита, структурно свободного и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при 727 ° С превращается в перлит.

Структура доэвтектического белого чугуна показана на рис. 4.17, а. Крупные темные поля на фоне ледебурита — перлит, образовавшийся из структурно свободного аустенита.

Сплав III (см. рис. 4.16) - 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 DС. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением, с образованием ледебурита. При дальнейшим охлаждении происходят превращения в твердом состоянии, такие же, как в сплаве //.

Конечная структура заэвтектического чугуна при 20 — 25 ° С показана на рис. 4.17, б. В ледебурите видны темные участки перлита; резко выделяются крупные пластинки первичного цементита.

ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО — ГРАФИТ

Диаграмма состояния Fе - С нанесена на диаграмме состояния Fе -FезС штриховыми линиями (рис. 4.18). Такой способ изображения системы Fе - С дает возможность сравнивать обе диаграммы.

В системе Fе - 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 Fе - 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' S''указывает изменение состава жидкой фазы во время кристаллизации первичного графита.

Чтение диаграммы состояния Fе - С принципиально не отличается от чтения диаграммы состояния Fе - FезС, 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 Fе - С только при весьма медленном охлаждении и наличии графитизирующих добавок (51, № и др.).

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА РАВНОВЕСНУЮ СТРУКТУРУ СТАЛЕЙ

ЛЕГИРОВАНИЕ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Всовременном машино- и приборостроении широкое применение находят стали, в которых помимо железа, углерода и постоянных примесей содержатся специально вводимые добавки других элементов, чаще всего металлов. Эти добавки принято называть легирующими элементами, а стали, соответственно, легированными сталями.

Вкачестве легирующих наиболее часто используют следующие элементы: Сг, Ni, Мn, S1, Мо, W, V, Ti, Nb). Реже используются Со, А1, Сu, В и некоторые другие.

Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической реакций и влияют на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны, как и железо, взаимодействовать с углеродом и азотом, а также между собой или с железом, образуя промежуточные фазы — интерметаллиды.

Принято температуры равновесных превращений, совершающихся в железе и сталях в твердом состоянии, обозначать буквой А с соответствующим индексом. Температуры фазового равновесия указаны на диаграмме состояния Fе - FезС, поэтому обозначения связаны с линиями этой диаграммы (см. рис. 4.11).

Эвтектоидную температуру (линия РSК) обозначают АI, температуру магнитного превращения (линия МО) — АII, температуру линии GS — Аз, температуру полиморфного превращения Fеγ - Fеа (линия NJ) — АIV, температуру линии SЕ — Аст.

Вследствие гистерезиса температуры превращений при нагреве всегда выше соответствующих температур при охлаждении, поэтому введена дополнительная индексация: при нагреве — индекс с, при охлаждении — индекс г. Магнитное превращение не имеет гистерезиса.

По влиянию на температуры Аз и АIV легирующие элементы можно разбить на две группы. Равновесные температуры Аз и АIV для чистого железа равны соответственно 911 и 1392 ° С. В интервале указанных температур устойчива модификация Fеγ с ГЦК решеткой.

Впервую группу входят элементы, которые понижают температуру Аз

иповышают температуру АIV . К ним относятся Ni, Мп, С, N и др.

Всплавах железа с никелем, марганцем и кобальтом γ-область «открывается», т.е. в определенном интервале температур существует неограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии — твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура Аз при определенной концентрации добавки понижается ниже нуля. На рис. 4.19 показан участок диаграммы Fе — легирующий элемент с открытой γ-областью.

В сплавах с концентрацией добавки, равной или превышающей концентрацию, соответствующую точке 6, ГЦК решетка устойчива при 20 — 25 ° С; такие сплавы называют аустенитными сталями. Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода в Fеγ, но и любые твердые растворы на основе

Во вторую группу входят элементы, которые повышают температуру Аз и понижают АIV. В этом случае температурный интервал устойчивости аустенита уменьшается и соответственно расширяется температурный интервал устойчивости Fеа. Таких легирующих элементов большинство: Сг,

Мо, W, V, Si, Тi и др.

Все перечисленные элементы образуют с железом диаграмму с «замкнутой» γ-областью (рис. 4.20). Концентрация, соответствующая точке с, для большинства элементов невелика (до 1 - 1,5%), и лишь для хрома аустенитная область простирается до 12 % (рис. 4.21).