Диаграмма фазового состояния системыFe - FезС

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них - сталь и чугун - представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы.

На диаграмме состояния железо--углерод приведен фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 %).

в системе Fe - С различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы - феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит - твердый раствор углерода и других примесей в а-железе (решетка ОЦК). Различают низкотемпературный а-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный &-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %.

Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29R (R - атомный радиус железа), а также в вакансиях, на дислокациях и т. д.

Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен.

Аустенит - твердый раствор углерода и других примесей в у-железе (решетка ГЦК). Предельная растворимость углерода в у-железе 2,14%.

Атом углерода в решетке у-железа располагается в центре элементарной ячейки, в которой может поместиться сфера радиусом 0,41R ив дефектных областях кристалла. Различные объемы элементарных сфер в ОЦК и ГЦК решетках и предопределили значительно большую растворимост углерода в у-железе по сравнению с а-железом.

Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна.

Цементит - это химическое соединение железа с углеродом карбид железа FезС. В цементите содержится 6,67 % углерода.

Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов.

Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается примерно равной 1500 ос.

До температуры 21О ос цементит ферромагнитен. К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость НУ 1000 (10000 МПа) и очень малая пластичность.

Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

2.1. Определить марку углеродистой стали, если известно, что после отжига в ее структуре 1О % перлита и 90 % феррита.

Решение

Если сплав состоит из двух фаз, то их количественное соотношение определяется правилом рычага (правило отрезков). Для сплава состава Ь: а = (sb / sp) 100 % (см. диаграмму);

точка S (0,80 %) - содержание углерода в аустените, находящемся в равновесии с ферритом и цементитом при эвтектоидной температуре (Тэ8т = 723 ОС);

точка Р (0,025 %) - предельное содержание углерода, растворенного в феррите, находящемся в равновесии с аустенитом и цементитом при эвтектоидной температуре;

точка Ь - содержание углерода в данной марке стали;

ά- объемное содержание феррита в структуре, %;

 

(0,8-Ь)/(0,8 - 0,025) *100 % = 90 % => Ь = 0,1.

 

Ответ: сталь 10.

 

2.1.2. Превращения в стали при нагреве и охлаждении

На диаграмме состояний железо-углерод к сталям относятся сплавы железа с содержанием углерода до 2,14 % С (см. диаграмму). Термическая обработка стали основана на реализации фазовых и структурных превращений при нагреве и охлаждении. Открытие в 1868 г. выдающимся русским ученым-металлургом Д.К Черновым критических точек в стали поставило термическую обработку на научную основу.

Сталь нагревают в специальных термических печах с пламенным или электрическим обогревом. Первое превращение стали происходит при температуре около 723 ОС (см. диаграмму, изотерма PSK). Оно состоит в превращении феррито-цементитной смеси (перлит) в аустенит, являющийся твердым раствором внедрения углерода в y-Fe. Содержание в аустените углерода при этой температуре составляет 0,8 % С независимо от количества последнего в обрабатываемой стали.

Температура превращения перлит-аустенит (П-А) является первой критической точкой (обозначают Ас,). При этой температуре, вследствие аллотропического превращения a-Fe ~ y-Fe, образуется более энергетически выгодная, чем перлит, фаза-аустенит. В ней растворяется весь находившийся в перлите углерод.

Таким образом, при нагреве стали до точки Ас1 после определенной выдержки (необходимой для протекания приводящих к равновесию диффузионных процессов) сталь приобретает равновесный двухфазный состав соответственно: ФО.О2 + По.8 ---7 ФО.О2 + АО.8 (в доэвтектоидной стали, С < 0,8 %) или По.8 + Ц6.67 ---7 АО.8 + Ц6.67 (в заэвтектоидной стали, С > 0,8 %).

При этом при температуре 723 ос в феррите содержится около 0,02 % С (точка Р), в аустените - 0,8 % С (точка S), в цементите 6,67 % С.

При дальнейшем повышении температуры в доэвтектоидных сталях составы феррита и аустенита изменяются соответственно по линиям PG и SG (т. е. в них фактически происходит растворение Ф в А).

В заэвтектоидных сталях равновесие между аустенитом и цементитом с ростом температуры поддерживается за счет растворения Ц вА, приводящего к обогащению аустенита углеродом (вплоть до2,14 % С в точке Е) и уменьшению количества цементита.

Точки, лежащие на линии SG, принято обозначать Асз, а на линии SE - Аст. При дальнейшем нагреве доэвтектоидных сталей, начиная с температур, равных Асз + (30...50) ос, наблюдается рост зерна аустенита. В заэвтектоидных сталях это происходит начиная с температур нагрева Аст + (30...50) ос.

Температуры нагрева при термической обработке стали обычно ограничиваются вышеуказанными величинами. Хотя в интересах сокращения времени на обработку, было бы желательно ускорять диффузионные процессы путем нагрева стали до более высоких температур.

В соответствии с режимом термообработки, после нагрева и выдержки стали при заданной, зависящей от содержания углерода температуре, следует процесс охлаждения.

При равновесном, т. е. достаточно медленном, охлаждении стали при достижении определенной температуры (точки на линии SG) из аустенита начнет образовываться феррит (А ---7 Ф + А) и сталь снова будет состоять из двух фаз (Ф + А). Если данный процесс протекает равновесно, то их химический состав изменяется соответственно по линиям PG и SG.

Критическая температура, соответствующая началу образования феррита из аустенита при охлаждении, обозначается Агз. Ее величина зависит от содержания углерода в стали.

Когда температура достигнет изотермы PSK, равновесный фазовый состав стали будет представлен ферритом и аустенитом, содержащими соответственно 0,02 и 0,8% С.

При температуре, обозначаемой критической точкой Аrз, происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит АО,8 → ФО,О2 + Ц6,67. Феррит и цементит в колонии перлита, образующегося при распаде аустенита, имеют форму чередующихся пластинок. Таким образом, при равновесном охлаждении получается исходный равновесный структурно-Фазовый состав. В доэвтектоидной стали - Ф + П.

Аустенит заэвтектоидной стали после равновесного охлаждения превращается в исходную смесь перлита и цементита (П + Ц). При этом, начиная с температур, лежащих на линии SE, из него будет выделяться избыточный углерод в виде вторичного цементита, а при температуре Ас! аустенит превратится в перлит.