Железоуглеродистые сплавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция № 8. Железоуглеродистые сплавы

1. Компоненты, фазы и структурные составляющие

2. Диаграмма состояния железо-углерод

3. Превращения в сплавах железо-углерод при охлаждении и нагреве

1) Компоненты, фазы и структурные составляющие

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо - переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления - 1539o С 5o С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911o С и 1392o С. При температуре ниже 911o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное . Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращения обозначают точкой , а температуру 1392o С превращения - точкой А4.

При температуре ниже 768o С железо ферромагнитно, а выше - парамагнитно. Точка Кюри железа 768o С обозначается А2.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности - , предел текучести - ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение - , а относительное сужение - ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами - растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления - 3500 0С, плотность - 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления - 5000 0С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения - цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe3C) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа - металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит - соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В системе железо - углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф) (C) - твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную - 0,02 % при температуре 727o С ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит () ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость - 130 НВ, предел прочности -) и пластичен (относительное удлинение -), магнитен до 768o С.

3. Аустенит (А) (С) - твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную - 0,8 % при температуре 727o С (точка S), максимальную - 2,14 % при температуре 1147o С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение - ), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит - характеристика дана выше.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении - вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Все сплавы системы железо - цементит по структурному признаку делят на две большие группы: стали и чугуны.

Особую группу составляют сплавы с содержанием углерода менее 0,02% (точка Р), их называют техническое железо. Микроструктуры сплавов представлены на рис.9.2. Структура таких сплавов после окончания кристаллизации состоит или из зерен феррита (рис.9.2 а), при содержании углерода менее 0,006 %, или из зерен феррита и кристаллов цементита третичного, расположенных по границам зерен феррита (рис.9.2.б), если содержание углерода от 0,006 до 0,02 %.

Рис.9.2. Микроструктуры технического железа: а - содержание углерода менее 0,006%; б - содержание углерода 0,006…0,02 %

Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02…2,14 % углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита.

Они обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном состоянии.

Структура сталей формируется в результате перекристаллизации аустенита. Микроструктуры сталей представлены на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Микроструктуры сталей: а - доэвтектоидная сталь ; б - эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в - эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г - заэвтектоидная сталь .

По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на доэвтектоидные , структура феррит + перлит (рис.9.3 а); эвтектоидные , структура перлит (П), перлит может быть пластинчатый или зернистый (рис. 9.3 б и 9.3 в); заэвтектоидные, структура перлит + цементит вторичный (П + ЦII), цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита.

По микроструктуре сплавов можно приблизительно определить количество углерода в составе сплава, учитывая следующее: количество углерода в перлите составляет 0,8 %, в цементите - 6,67 %. Ввиду малой ратворимости углерода в феррите, принимается, что в нем углерода нет.

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14 % (до 6,67 %), заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), называют чугунами.

Наличие легкоплавкого ледебурита в структуре чугунов повышает их литейные свойства.

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо - цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома - серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами.

Микроструктуры белых чугунов представлены на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Микроструктуры белых чугунов: а - доэвтектический белый чугун; б - эвтектический белый чугун (Л); в - заэвтектический белый чугун .

По количеству углерода и по структуре белые чугуны подразделяются на: доэвтектические , структура перлит + ледебурит + цементит вторичный ; эвтектические , структура ледебурит (Л) (рис. 9.4 б); заэвтектические , структура ледебурит + цементит первичный (рис. 9.4 в).

В структуре доэвтектических белых чугунов присутствует цементит вторичный, который образуется в результате изменения состава аустенита при охлаждении (по линии ES). В структуре цементит вторичный сливается с цементитом, входящим в состав ледебурита.

Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах один и тот же, они состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо - цементит является их структура.

2) Диаграмма состояния железо-углерод

Железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны - важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в десять раз.

Диаграмма состояния железо - углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов.

Начало изучению диаграммы железо - углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.

Диаграмма железо - углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит - . Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму - по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до , то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего углерода.

Диаграмма состояния железо - цементит представлена на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Диаграмма состояния железо - цементит.

3) Превращения в сплавах железо-углерод при охлаждении и нагреве

При нагреве стали выше критических точек с образованием аустенита исходной структурой чаще всего является смесь феррита и цементита -- перлит. Превращение перлита в аустенит в точном соответствии с диаграммой «железо-углерод» происходит лишь при очень медленном нагреве. В реальных условиях нагрева при термообработке превращение перлита в аустенит запаздывает и имеет место перегрев. Скорость превращения зависит от степени перегрева. Чем выше температура, тем больше степень перегрева и тем быстрее идет превращение. Кинетику превращения можно проследить на диаграмме изотермического превращения перлита в твердый раствор аустенит эвтектоидной стали (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит эвтектоидной стали: а', а''-- точки начала превращения со скоростями v1, v2; b', b'' -- точки конца превращения со cкороcтями v1, v2 (v1 >v1)

При достаточно высокой температуре из-за большой подвижности атомов превращение протекает практически мгновенно, поэтому кривые начала и конца превращения сливаются и попадают на ось ординат. При очень малом перегреве над А1 превращение протекает очень вяло и поэтому превращение может протекать практически бесконечно. В этом случае кривые начала и конца превращения также сливаются и асимптотически приближаются к линии А1. Совпадение кривых начала и конца превращения в одной точке соответствует равновесному превращению по диаграмме железо-углерод.

Зародыши новой фазы - аустенита - образуются на межфазных поверхностях раздела феррита и цементита. Переход перлита в аустенит состоит из двух элементарных процессов: полиморфного превращения Fea ® Feg и растворения в g -железе углерода цементита. Растворение цементита запаздывает по сравнению с полиморфным превращением. Поэтому после превращения феррита в аустенит необходимо дополнительное время для устранения неоднородности аустенита -- период гомогенизации аустенита.

В доэвтектоидных сталях выше А1 структура состоит из аустенита и феррита, а в заэвтектоидных -- из аустенита и цементита. По мере нагрева до АC3 (Аcm) происходит постепенное растворение свободного феррита или цементита в аустените. Однофазную структуру аустенита доэвтектоидные и заэвтектоидные стали приобретают только после нагрева выше АC3 (Аcm).

Размер аустенитного зерна - важнейшая структурная характеристика нагретой стали. От размера зерна аустенита зависит поведение стали в различных процессах термомеханической обработки и механические свойства изделия.

Особенно чувствительна к размеру аустенитного зерна ударная вязкость, которая падает заметно с укрупнением зерна.

На сильно развитой ферритно- цементитной поверхности раздела стали при нагреве выше АС1 (АC3, Аcm) образуется большое число центров превращения - зародышей аустенита, и к концу превращения аустенитные зерна получаются мелкими. Эти зерна называются начальными зернами. При дальнейшем нагреве эти зерна аустенита растут, причем разные стали характеризуются различной склонностью к росту зерна. По склонности к росту зерна аустенита при нагреве различают наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые стали. Наследственно крупнозернистые стали начинают быстро увеличивать размер зерен даже при небольшом перегреве выше АС1 (АС3, Аcm), а наследственно мелкозернистые -- даже при значительном перегреве сохраняют относительно мелкое зерно (рис. 8.3).

Склонность к росту зерна стали зависит , с одной стороны, от содержания в ней легирующих элементов -- почти все легирующие элементы (за исключением марганца) тормозят рост аустенитного зерна. Наиболее сильно тормозят рост аустенитного зерна V, Ti, Al и Zn. Хорошо тормозят рост зерна аустенита W, Mo и Cr, слабо действуют Ni и Si. Основной причиной такого действия легирующих элементов считается образование труднорастворимых в аустените карбидов и оксидов, которые являются барьерами для растущего зерна.

С другой стороны, склонность к росту зерна стали сильно зависит от ее металлургического качества, технологии ее производства и режима раскисления, так как они определяют наличие в стали разного количества мельчайших примесей карбидов, оксидов, сульфидов и нитридов, также затрудняющих рост зерна.

Для определения склонности стали к росту зерна используется стандартная методика, которая заключается в следующем. Доэвтектоидную сталь цементуют при 930 °C в течение 8 частов с последующим медленным охлаждением. Размер зерна определяется по карбидной сетке, окаймляющей границы аустенитных зерен. Заэвтектидную сталь нагревают до 930 °C и после выдержки в течение 3 ч медленно охлаждают. Размер зерна определяется по сетке вторичных карбидов, выделяющихся по границам аустенитных кристаллов. Другой метод состоит в окислительном нагреве шлифа в течение 3 часов при 930 °C. Границы зерен аустенита выявляются сеткой оксидов.

Рис. 8.3. Схема изменения размера зерна в зависимости от температуры нагрева стали:

а) наследственно мелкозернистые стали;

б) наследственно крупнозернистые стали

От склонности к росту зерна зависит технологический процесс горячей деформации и термообработки. Наследственно мелкозернистые стали имеют большой интервал закалочных температур, их прокатка и ковка могут начинаться при более высоких температурах.

При нагреве до достаточно высокой температуры -- на 100-150 °C выше АС1 (АС3, Аcm), наследственно мелкозернистая сталь может иметь даже более крупное зерно аустенита, чем наследственно крупнозернистая сталь имеет при нагреве до 930 °C. Поэтому введено понятие о размере действительного зерна -- величина зерна при комнатной температуре, полученной в результате той или иной термообработки. Размер действительного зерна обычно тем больше, чем больше размер исходного зерна аустенита (рис. 8.3).

Нагрев стали до температур значительно выше АС3 приводит к перегреву металла, следствием которого является образование крупного действительного зерна. Перегрев может быть исправлен повторным нагревом до более низкой температуры. Если нагрев проводится еще выше, чем при перегреве, и металл длительное время находится при этой температуре в окислительной атмосфере печи, то может возникнуть неисправимый дефект -- пережог стали. Он сопровождается окислением и частичным оплавлением границ зерен и характеризуется камневидным изломом.

Величина действительного зерна стали оказывает наибольшее влияние на ударную вязкость, особенно при низких температурах.

Величину зерна определяют по ГОСТ 5639-82 сравнением микроструктуры стали при увеличении в 100 раз с эталонными шкалами, приведенными на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Эталонная шкала баллов для оценки размера зерна стали

Размер зерна оценивается баллами. Балл зерна прямо пропорционален числу зерен, помещающихся на 1 мм2 шлифа, и обратно пропорционален среднему диаметру зерна. Условно принято считать, что стали с зерном от 1 до 5 балла относятся к крупнозернистым сталям, а с более высоким баллом зерна (№ 6-15) -- к мелкозернистым.

ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ.

Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге эвтектоидной стали, -- это распад аустенита при комнатной температуре ниже точки А1 (727 оС) на смесь феррита с цементитом. При скорости охлаждения стали, обеспечивающей полное протекание диффузионных процессов и соответственно близкое к равновесному состоянию стали, в структуре последней согласно диаграмме «железо--углерод» образуется перлит.

На рис. 8.5 приведена диаграмма изотермического превращения аустенита для эвтектоидной стали (0,8 % С). Горизонтальные линии Мн и Мк показывают температуры начала и конца бездиффузионного мартенситного превращения.

Диаграмма изотермического превращения представляет собой результат обобщения многочисленных данных исследований превращений аустенита при постоянных температурах. Диаграммы изотермического превращения называют за сходство кривых с буквой «С» также С-диаграммами, а в странах английского языка -- ТТТ-диаграммами (temperature--time--transformation, что означает температура--время--превращение).

Рис. 8.5. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали

На диаграмме можно выделить следующие области: 1) область устойчивого аустенита (для стали, содержащей 0,8 % С, выше АС1); 2) область переохлажденного аустенита; 3) область начавшегося, но еще не закончившегося превращения А ® П; 4) область закончившегося превращения А ® П; 5) область начавшегося, но еще не закончившегося мартенситного превращения (между Мн-Mк); 6) мартенситная область (ниже Мк).

Область, расположенная слева от кривой начала распада аустенита (область переохлажденного аустенита), определяет продолжительность инкубационного периода, характеризующую устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума (для эвтектоидной стали около 550 °С), и далее вновь возрастает.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения: перлитную (переохлаждение до 500 °С), мартенситную (переохлаждение ниже Мн -- для эвтектоидной стали ниже температуры 240 °С) и промежуточного (бейнитного) превращения (переохлаждение для эвтектоидной стали в интервале от 500 до 240 °С).

Рассмотрим структуры, образующиеся при диффузионном превращении аустенита.

При температуре 650-700 °С образуется собственно перлит. При перлитном превращении ведущей фазой является цементит. В результате образования пластинок цементита соседние участки аустенита обедняются углеродом, что в свою очередь приводит к образованию пластинок феррита.

При увеличения переохлаждения увеличивается количество зародышей новой фазы. Естественно, что с ростом числа чередующихся пластин феррита и цементита уменьшаются их размеры и расстояния между ними (рис. 8.6). Другими словами, с понижением температуры растет дисперсность продуктов превращения аустенита. Под степенью дисперсности понимают расстояние между соседними пластинками феррита и цементита.

Рис. 8.6. Схема феррито-цементитных структур:

а) перлит; б) сорбит; в) троостит

При температуре 600-650 °С образуется сорбит, а при 550-600 °С -- троостит.

Перлит, сорбит, троостит являются структурами одной природы -- механической смесью феррита и цементита и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности. С увеличением степени дисперсности пластин цементита растут твердость и прочность стали. Наибольшую пластичность имеют стали с сорбитной структурой. Троостит, образующийся при более низкой температуре превращения, характеризуется меньшей пластичностью (меньшими d и y ). Перлит, сорбит и троостит называют перлитными структурами.

Перлитные структуры в зависимости от формы цементита могут быть пластинчатыми или зернистыми. Пластинчатые структуры образуются при превращении однородного (гомогенного) аустенита, а зернистые -- неоднородного аустенита. В первом случае нагрев доэвтектоидных сталей должен производиться выше АС3, а заэвтектоидных -- выше Аcm. Соответственно для получения зернистых структур нагрев должен производиться ниже АС3 (Аcm).

Таким образом, дисперсность перлитных структур определяется степенью переохлаждения, а форма цементита -- гомогенностью исходного аустенита.

Так как в доэвтектондных и заэвтектоидных сталях, в отличие от эвтектоидных, в интервале температур А1-А3 сначала выделяются избыточные фазы -- феррит (в доэвтектоидных сталях) или избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях), то на диаграмме изотермического распада аустенита для этих сталей характерно появление дополнительной кривой, характеризующей начало выделения соответствующих избыточных фаз (рис. 8.7).

железоуглеродистый сплав

Рис. 8.7. Схемы диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита:

а) доэвтектоидная сталь; б) эвтектоидная сталь; в) заэвтектоидная сталь

Размещено на Allbest.ru