Материаловедение

В – точка предельного  насыщения железом жидкого раствора, находящегося в равновесии одновременно с кристаллами d- и g-твердых растворов при перитектической температуре. Точке В соответствует содержание углерода в жидкости 0,51%, температура 1496 °С.

С – эвтектическая  точка в метастабильной системе  Fe – Fe₃C. Температура 1147 °C, концентрация углерода, соответствующая точке С – 4,3% – это содержание углерода в жидком растворе, находящемся в равновесии одновременно с аустенитом и цементитом при эвтектическом превращении. Число степеней свободы, соответствующее этой точке, равно нулю. На термических кривых охлаждения и нагрева точке С соответствуют горизонтальные площадки, аналогичные площадкам плавления – кристаллизации чистого железа.

С¢ – эвтектическая точка в стабильной системе железо-графит. Температура, соответствующая точке 1153 °С, концентрация углерода – 4,25% – это содержание углерода в жидкости, находящейся в равновесии с аустенитом и графитом при эвтектической кристаллизации. Как и в точке С, в данной точке система нонвариантна.

D – согласно принятым обозначениям точку D относят к температуре плавления цементита. Однако известные данные свидетельствуют о том, что цементит представляет собой термодинамически неустойчивую фазу, в связи с чем, перед плавлением он разлагается на железо и графит. При этом положение точки D на диаграмме оказывается неопределенным.

D¢ – точка, соответствующая температуре плавления графита (около 4000°С).

Е – точка, отвечающая предельному  содержанию углерода в аустените, находящемся  в равновесии с цементитом и жидкостью  при эвтектической температуре (1147 °С) в метастабилъной системе. Значение содержания углерода 2,14%. Точка Е  на концентрационной оси диаграммы  является своеобразной границей между  сталями и чугунами. При содержании углерода в сплавах меньше 2,14% в  их структуре отсутствует ледебурит; при содержании углерода более 2,14% ледебурит  присутствует в структуре сплавов. Это – важнейшая структурная  составляющая чугунов.

Е¢ – точка, отвечающая предельному содержанию углерода в аустените, находящемся в равновесии с графитом и жидким раствором при эвтектической температуре (1153 °С) в стабильной системе. Значение содержания углерода, соответствующего этой точке, равно 2,03 %.

F – точка предельного насыщения цементита железом при эвтектической температуре (1147°С). Значение концентрации углерода, соответствующее точке F, практически близко к 6,67%, хотя последние работы показывают наличие некоторой весьма малой растворимости железа в цементите.

F¢ – точка предельного насыщения графита железом при эвтектической температуре (1153 °С).

G – точка полиморфного превращения в чистом железе a Û g. Температура превращения 911°С. Число степеней свободы системы в этой точке равно нулю. Перестройка кристаллической решетки a ® g сопровождается уменьшением объема, обратный переход g ® a увеличивает удельный объем образца, что связано с различной плотностью упаковки атомов в гранецентрированной решетке g - железа и объемно-центрированной решетке a - железа. Точка G соответствует для чистого железа критической точке А₃.

Н – точка предельного  насыщения углеродом d-феррита при температуре перитектического превращения. Температура, соответствующая этой точке 1496 °С, концентрация углерода 0,10%, что Это соответствует концентрации d-феррита, находящегося в равновесии с аустенитом и жидкостью при температуре перитектики.

I – перитектическая точка, точка трехфазного равновесия, соответствующая равновесной концентрации аустенита, образующегося по перитектичеокой реакции в изотермических условиях из жидкости состава точки В и d-феррита состава точки Н. Температура, в точке I, равна 1496 °С, концентрация углерода 0,16%.

К – точка предельного  насыщения железом цементита  при эвтектоидной температуре 727°С. Точке практически соответствует  концентрация 6,67% углерода.

К¢ – точка предельного насыщения железом графита при эвтектоидной температуре (738°С).

М – точка Кюри чистого  железа. Температура этой точки 770 °С. Точка соответствует потере ферромагнетизма a-железа при нагреве и восстановлению его ферромагнетизма при охлаждении.

N – точка полиморфного превращения d Û g в чистом железе. Температура превращения 1392 °С. Точка N для чистого железа соответствует критической точке А₄. В этой точке система нонвариантна.

О – точка наибольшей растворимости углерода в аустените, находящемся в контакте с немагнитным  ферритом при температуре 770 °С. Содержание углерода в аустените в этой точке  примерно равно 0,5%.

Р – точка предельного  содержания углерода в феррите, находящемся  в равновесии с цементитом и аустенитом при эвтектоидной температуре (727°С). Значение содержания углерода для этой точки 0,02%. Точка Р на концентрационной оси диаграммы отделяет техническое  железо от стали. В сталях (содержание углерода выше 0,02%) в качестве структурной  составляющей содержится перлит. В  техническом железе (содержание углерода не более 0,02%) перлит отсутствует.

S – эвтектоидная точка в метастабильной системе. Температура, соответствующая этой точке, 727 °С, содержание углерода 0,8%. Это содержание углерода в аустените, находящемся в равновесии c ферритом и цементитом при эвтектоидной реакции. Число степеней свободы, как и для других трехфазных реакций в данной системе, равно нулю.

S¢ – эвтектоидная точка в стабильной системе железо-графит. Температура, отвечающая данной точке 738 °С, содержание углерода в аустените, соответствующее точке S¢^ç, равно 0,69%. Это содержание углерода в аустените, находящемся в состоянии равновесия с ферритом и графитом в момент развития прямого или обратного эвтектоидного превращения. Система в точке S¢^ç -нонвариантна.

Q – точка предельной растворимости углерода в феррите (значение 0,006% при комнатной температуре). Увеличение концентрации углерода в феррите до значений более 0,006% приводит к изменению фазового состава и в первую очередь к появлению в структуре третичного феррита.

Линии диаграммы представляют собой  совокупность критических точек  сплавов с различным составом, характеризующих превращения в  этих сплавах при соответствующих  температурах.

Рассмотрим значение линий диаграммы  при медленном охлаждении.

ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.

AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита.

CD – линия выделения первичного цементита.

AE – заканчивается кристаллизация аустенита.

ECF – линия эвтектического превращения.

GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727 ºC).

GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита.

PSK – линия эвтектоидного превращения.

ES – линия выделения вторичного цементита.

PQ – линия выделения третичного цементита.

Однофазные области диаграммы:

- выше линии ABCD (линия ликвидус) – жидкость (L);

- область AHN – область δ - феррита;

- область NJESG – область аустенита;

- область GPQ – область α - феррита;

- линия LD или KD – область цементита Fe3C.

Остальные области диаграммы  – двухфазные:  ледебурит,

перлит и их комбинации.

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 – твердый  раствор внедрения углерода в  α-железо.

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

При температуре выше 1392°  С существует высокотемпературный  феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1% при температуре  около 1500 °С (точка I)

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

3. Аустенит (γ) – твердый  раствор внедрения углерода в  γ-железо.

Углерод занимает место в  центре гранецентрированной кубической ячейки.

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

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен, парамагнитен.

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

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

В железоуглеродистых сплавах  присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. 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.

Сплав, содержащий 1,9% углерода является заэвтектоидной сталью. При охлаждении от 1600°С до 20°С градусов он претерпевает следующие превращения:

1600-сплав однофазный (жидкость)

Т=1440°С - начало    первичной  кристаллизации. Из жидкого расплава начинают выпадать кристаллы аустенита, структура становится двухфазной-Жидкость+Аустенит.

Процесс продолжается до точки  на линии солидус  Т=1230°С пока вся  жидкость не закристаллизуется.

В точке Т=1230°С первичная  кристаллизация заканчивается и  структура становится твердой однофазной однокомпонентной -Аустенит.

Дальнейшее охлаждение приводит  к обеднению аустенита по углероду. В промежутке между точками Т=1440°С и Т=1230°С сохраняется аустенит. В  точке Т=1230°С, лежащей на линии  ОЕ, начинается вторичная кристаллизация. Из аустенита выпадает Цементит вторичный  в виде сетки по границам аустенитного зерна. Структура становится двухкомпонентной Аустенит +Цементит вторичный.

Между точками Т=1230°С и 727°С структурных изменений нет, но падает содержание (растворимость) углерода в  аустените, пока не достигнет минимума 0,8% при температуре 727°С градусов. В  точке 727°С происходит перлитное превращение: Аустенит в Перлит.

Структура становится  Перлит +Цементит вторичный.

Охлаждение ниже 727 градусов изменяет растворимость углерода в  феррите, входящем в состав перлита. Эти изменения протекают по линии  PQ.

При Т1=1300 –структура стали- Жидкость+Аустенит.

При Т2=900-структура аустенит+цементит вторичный.

Концентрация углерода в  точке Х=1%

Концентрация углерода в  точке М=1,9%

Концентрация углерода в  точке У=3%

При температуре в 1350°С и содержании углерода в сплаве 1,9%  количество жидкости составляет 45%, количество аустенита 55%.

 

 

 

 

Вычертите диаграмму  изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на ее кривую режима термической обработки, которая обеспечит получение твердости НВ550. Укажите, как режим называется, опишите сущность превращений. Какая структура получается в этом случае?

Рис. 9 – Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8  

При изотермической закалке  сталь У8 нагревают до температуры  на 30-50°С выше точки А_с1 (А_с1 = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 250-350°С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде должна быть достаточной для полного превращения аустенита в  бейнит. Нижний бейнит представляет собой структуру, состоящая из α-твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного углеродом, и частиц карбидов.

В качестве охлаждающей среды  при изотермической закалке применяют  расплавленные соли или расплавленные  щелочи.

 

Литература

 

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980
2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986
3. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. М., 1983
4. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972