Министерство образования и науки Украины
Донбасский государственный технический университет
Институт повышения квалификации
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по Металловедению
на тему
«Кристаллизация сталей и твердофазные превращения в сталях. Выделение аустенита, феррита, цементита, перлитное превращение»
Алчевск 2009
1. Кристаллизация в сталях
Рисунок 1. Участок диаграммы состояния железо – карбид железа
Характерные точки диаграммы:
B (1499ºС) ─ 0,51% С
H (1499ºС) ─ 0,1% С
I (1499ºС) ─ 0,16% С
Пять групп сталей при кристаллизации:
Iгр.
– от 0 до 0,1%С (до т.H)
IIгр.
– от 0,1 до 0,16%С (от т.H до т.J)
IIIгр.
– 0,16%C (т. J)
IVгр.
– от 0,16 до 0,51%С (от т. J до т. В)
Vгр.
– от 0,51 до 2,14%С (от т. В до т. С)
Рассмотрим ряд характерных сплавов:
Сплав
I
При температуре соответствующей точке 1, сплав находится в равновесном состоянии, имеется набор фазовых и концентрационных флуктуаций.
При t2
─ количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций увеличивается, и немного ниже t2
начинается процесс кристаллизации. Линия АВ ─ линия насыщения жидкого сплава δ-Ферритом. Состав жидкости описывается линией ликвидус, а δ-Ф по линии солидус.
При t3
жидкая фаза имеет состав т. б
, а δ-Ф ─ состав т. а
.
При t4
кристаллизация заканчивается, ниже этой температуры существует только δ-Ф, вплоть до температуры t5
.
Ниже t5
δ-Ф пересыщается –Fe (Аустенитом) и происходит его выделение.
При температуре t6
─ точка в
описывает состав ─ δ-Феррита, точка г
─ описывает состав Аустенита.
Количественное соотношение фаз:
δ-Фв
=
Аг
=
Ниже точки 7 существует только аустенит.
Сплав
II
Точка 1, 2, 3 ─ аналогично сплаву l.
При температуре t4,
соответствующей перитектическому равновесию, состав жидкой фазы определяется точкой В
, а состав δ-Феррита точкой Н
:
δ-Фн
+ Жв
АJ
+ δ-Фн
(остаточный или избыточный)
При дальнейшем охлаждении ниже t4
остаточный δ-Фост.
кристаллизируется в аустенит (А).
Ниже т. 5 существует только аустенит.
Сплав
III
Точки 1, 2, 3 ─ аналогично сплавам I, II.
При температуре т. 4 (J) (температура перитектического равновесия):
δ-Фн
+ Жв
АJ
(100%),
происходит полное превращение без сохранения избыточных фаз.
Сплав
IV
Точки 1, 2, 3 ─ аналогично сплаву I─III.
При температуре т. 4 происходит перитектическое превращение:
δ-Фн
+ Жв
АJ
+ Жост
.
При дальнейшем понижении температуры от т. 4 до т. 5, оставшаяся жидкая фаза кристаллизуется в аустенит (А).
Сплав
V
При температуре т. 1 и т. 2 ─ положение сплава аналогичны ранее рассмотренным.
При температуре т. 3 происходит кристаллизация жидкости в аустенит (в т. 2 жидкая фаза пересыщается в отношении -Fe).
Для жидкости состав меняется по ликвидус f – 5, а для Аустенита ─ d – 4, по линии солидус.
Ниже т. 4 существует только аустенит.
Таким образом, какой бы мы сплав не взяли, при содержании углерода менее 0,51%, несмотря на предварительные образования δ-фазы, в конечном итоге образуется -фаза (аустенит).
Аустенит представляет собой однородный твердый раствор внедрения углерода в –Fe.
Рисунок 2. Микроструктура аустенита
2. Твердофазные превращения в сталях
Сплавы Fe с С содержащие от 0 до 0,025% С ─ технически чистое железо.
Сплавы Fe с С ─ от 0,025 до 0,81% С ─ доэвтектоидные стали.
Сплавы Fe с С ─ 0,81% С ─ эвтектоидная сталь.
Сплавы Fe с С ─ от 0,81 до 2,14% С ─ заэвтектоидные стали.
Рисунок 3. Участок диаграммы состояния железо – карбид железа
Рассмотрим ряд характерных сплавов:
Сплав
I
(технически чистое железо).
Точка 1 ─ существует Аустенит, имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций.
Точка 2 ─ увеличивается размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций.
В точке 3 ─ начинается выделения кристаллов феррита ( – модификация). Проводим каноду: т. а
─ описывает состав аустенита (начало полиморфного превращения -Fe
-Fe); т. б
─ описывает состав феррита (конец полиморфного превращения).
Количественное соотношение фаз:
<
=,
Фб
=,
(при расчете в домашнем задании 3а
и 3б
необходимо измерять линейкой, а затем рассчитывать).
С охлаждением сплава количество феррита (Ф) увеличивается (состав изменяется от б
до 4), а аустенита (от а
до г
).
В точке 4 превращение А заканчивается. При t5
существует только феррит. Линия PQ ─ линия изменения растворимости С
в Феррите.
При охлаждении ниже PQ феррит пересыщается углеродом, в результате чего происходит выделение избыточного углерода в виде цементита третичного.
Рисунок 4. Микроструктура технически чистого железа
При комнатной температуре:
ЦIII
= (
max
Ц
III
=0,29%)
ФQ
=
(Ц
III
─ более 0,17% С не брать.)
Сплав
II
(доэвтектоидная сталь ─ 0,3% С)
Точки 1 и 2 аналогично сплаву I. При t3
размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций становится критическим и появляется возможность перекристаллизации А в Ф.
Количественное соотношение фаз:
Аy
=,
ФZ
= .
При охлаждении состав Аустенита изменяется по линии y ─ S, состав Ф по линии z ─ P. Содержание углерода в Аустените возрастает, а его количество уменьшается.
При t4
(727º С) содержание углерода в аустените достигает 0,81% (точка S).
При t4
:
Фр
=,
Аs
= .
Аустенит при этой температуре одновременно насыщен по отношению к ферриту и цементиту, ниже т. 4 из Аустенита в результате эвтектоидного превращения образуется феррито – цементитная смесь:
Аs
Фр
+ Ц ─ эвтектоид,
перлит
т.е. перлита будет столько же, сколько аустенита до превращения – П=АS
=35%.
Т.о., структура стали после охлаждения будет: Фр
и Перлит (Ф и Ц).
Рисунок 5. Микроструктура доэвтектоидной стали
Сплавы Fe с С содержащие углерод от 0,025 до 0,25% называются ─ малоуглеродистыми.
С = 0,25 0,6% ─ среднеуглеродистые стали;
С = 0,6 0,8% ─ высокоуглеродистые доэвтектоидные.
Подсчитаем количество фазовых составляющих при t5
для сплава с 0,3% С.
т.Q= 0,006% С.
т.L= 6,67% С.
Канода QL ─ 100%:
ФQ
= ,
ЦL
=.
Структура:
Ф = П =
Перлит чаще имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Толщина этих пластинок находится в соотношении 7,3:1. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение.
Сплав
III
(эвтектоидный состав сплава ─ 0,81% С).
Точка 1 ─ равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций.
Точка 2 ─ количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций увеличивается.
Точка 3 ─ Аустенит насыщен одновременно по отношению к ферриту и цементиту, и ниже этой температуры (t3
=727ºС), Аустенит распадается с образованием эвтектоидной смеси (Ф+Ц):
AS
Ф+Ц
перлит
Т.о., сплав III будет иметь одну структурную составляющую ─ Перлит.
Рисунок 6. Микроструктура эвтектоидной стали
Определим при температуре t4
количественное соотношение фазовых составляющих:
ФQ
= ,
ЦL
=.
Это постоянное соотношение Ф и Ц в перлите, отсюда и соотношение толщин пластинок раза. (Запомнить!
)
Сплав
IV
(1,4% С ─ заэвтектоидный сплав)
При t1
имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций.
При t2
размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций цементита увеличивается.
При охлаждении до t3
размер фазовых и концентрационных флуктуаций становится критическим и происходит выделение Ц из аустенита.
При t3
:
Aq
= ,
ЦIIp
=.
Состав аустенита при охлаждении меняется по линии qS, а цементит имеет постоянный состав т. К.
Температура t4
─ соответствует линии эвтектоидного равновесия.
Перед t4
:
Аs
= .
Данный аустенит, имеющий состав точки S при дальнейшем охлаждении превратится в перлит (7270
С):
AS
П(
Ф+Ц), т.е. AS
= П= 89,9%.
ЦII
=.
При t5
количественное соотношение фаз составит:
ФQ
= ,
ЦL
=.
Рисунок 7. Микроструктура заэвтектоидной стали
3. Построение кривой охлаждения
Рисунок 8. Кривая охлаждения малоуглеродистой стали
1–2 2–3 3–4
4–5 5–6 6–7
Рисунок 9. Схема изменения микроструктуры малоуглеродистой стали в процессе кристаллизации и твердофазных превращений
Литература
1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.
2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.
3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.