Анализ фазовых превращений при охлаждении стали и чугуна

 

Все железоуглеродистые сплавы в результате первичной кристаллизации, имеющие аустенитную структуру и содержащие не более 2,14%С, называются сталями. Железоуглеродистые сплавы в результате первичной кристаллизации, имеющие ледебурит и более 2,14%С, называются чугунами.

В сплавах с содержанием углерода менее 0,5 %, несмотря на предварительное образование -фазы, в конечном итоге образуется -фаза, поэтому анализ превращений в таких сплавах, имеющий практическое значение, можно провести по упрощенной диаграмме состояния (см. рис. 5). На рисунке 7 приведены кривые охлаждения сплавов, содержащих менее 0,2% углерода и 0,5; 0,8; 1,7%С, на рисунке 8 – сплавы, содержащие 3,5; 4,3 и 5,5%С.

Сплав I, содержащий менее 0,02% углерода, фактически представляет собой технически чистое железо. Точка 1 соответствует началу кристаллизации аустенита, точка 2 – окончанию кристаллизации. При охлаждении от точки 2 до точки 3 превращений образовавшегося аустенита не происходит, температура сплава только понижается. В точке 3 начинается, а в точке 4 заканчивается перестройка кристаллической решетки аустенита (ГЦК) в кристаллическую решетку феррита (ОЦК).

 

Рис. 7. Кривые охлаждения сталей

 

При охлаждении в интервале температур, определяемом точками 3 и 4, содержание углерода в аустените меняет по линии GS, а в феррите – по линии GP. От точки 4 до точки 5 превращений не происходит, образовавшийся феррит просто охлаждается.

Линия PQ соответствует линии переменной растворимости. Ниже этой линии сплав пересыщен углеродом, происходит выделение избыточного углерода с образованием химического соединения железа Fe₃C, т.е. цементита третичного (Ц_III). Концентрация углерода в феррите составляет при комнатной температуре 0,006%С.

Сплав II содержит 0,5%С. Образование кристаллов аустенита происходит в интервале температур, определяемом точками 1 и Состав аустенита меняется в соответствии с линией солидус АЕ, состав жидкой фазы – в соответствии с линией ликвидус АС. В точке 2 кристаллизация аустенита заканчивается, и от точки 2 до точки 3 структурных изменений не происходит, аустенит просто охлаждается. В точке 3 начинается выделение из аустенита феррита. Концентрация углерода в феррите меняется по линии GP, а концентрация углерода в аустените – в соответствии с линией GS. При охлаждении сплава до точки 4 состав аустенита будет соответствовать точке S, т.е. эвтектоидному составу. При температуре 727ºС произойдет эвтектоидное превращение с образованием перлита Аs ↔ Фр + Цк. При комнатной температуре структура сплава состоит из феррита и перлита. Количество перлита в структуре увеличивается по мере увеличения содержания углерода в сплаве вплоть до концентрации 0,8%С.

Сплав III, содержащий 0,8%С, по составу соответствует точке S. Аустенит сплава такой концентрации не испытывает превращений при охлаждении до 727ºС. При температуре сплава, равной 727ºC, протекает эвтектоидная реакция, в результате которой аустенит превращается в перлит. При комнатной температуре структура сплава состоит из одного перлита.

Фазовые превращения в сплавах с концентрацией углерода от 0,8 до 2,14% аналогичны превращениям, происходящим при охлаждении сплава IV (1,7%С). До точки 3 последовательность превращений аналогична изменениям, происходящим в сплавах II и III. При охлаждении в диапазоне температур от точки 3 до точки 4 из кристаллической решетки аустенита выделяется избыточный углерод с образованием вторичного цементита (Ц_II). При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии ЕS. На линии РSК при температуре 727ºС происходит эвтектоидное превращение, при котором аустенит превращается в перлит. Поэтому при комнатной температуре структура сплава состоит из перлита и вторичного цементита.

Сплавы V, VI, VII содержат более 2,14% углерода. При первичной кристаллизации таких сплавов происходит эвтектическое превращение, сопровождающееся образованием из жидкости, содержащей 4,3% углерода ледебурита – механической смеси двух твердых фаз: аустенита и цементита (рис. 8). Эвтектическая реакция протекает при постоянной температуре, равной 1147ºС.

 

Рис. 8. Кривые охлаждения чугунов

 

В сплаве V кристаллизация начинается в точке 1 выделением аустенита из жидкого раствора и заканчивается в точке при охлаждении в интервале температур 1-2 состав аустенита меняется по линии солидус, а концентрация углерода в жидкой фазе – по линии ликвидус. Аустенит кристаллизуется в форме дендрита, которые, как правило, обладают химической неоднородностью, называемой дендритной ликвацией.

В точке 2 при 1147ºС состав жидкости соответствует точке С, т.е. жидкость имеет концентрацию углерода, равную 4,3%. Количественное соотношение жидкой и твердой фаз в точке 2 определяется отношением отрезков Е2 и 2С. При 1147ºС происходит эвтектическое превращение

 

Ж_с ® А_Е + Ц_F.

 

При дальнейшем охлаждении в интервале 2-3 из аустенита как структурно свободного, так и входящего в эвтектику – ледебурит, выделяется вторичный цементит. Состав аустенита меняется по линии ЕS, т.е. от 2,14 до 0,8%. Однако если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую.

В точке 3 происходит перлитное превращение аустенита, содержащего 0,8% С. Структура сплавов V при комнатной температуре состоит из перлита и ледебурита. Вторичный цементит и цементит ледебурита сливаются и практически неразличимы. Таким образом, ниже температуры 727ºС ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита. Такой ледебурит называется превращенным. При охлаждении до комнатной температуры в результате изменения растворимости углерода в феррите (линия PQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре он не обнаруживается. Наличие аустенита в доэвтектическом чугуне существенно не улучшает его механических свойств, т.к. аустенит окружен хрупкой оболочкой вторичного цементита.

В сплаве VI при эвтектической температуре вся жидкость превращается в ледебурит. Как и всякая эвтектическая реакция, отвечающая нонвариантному (безвариантному) равновесию, реакция образования из жидкой фазы ледебурита протекает при постоянной температуре и постоянном составе фаз.

В случае малых переохлаждений эвтектика представляет собой грубую смесь аустенита и цементита и носит название разделенной эвтектики. С увеличением переохлаждения ведущей фазой при образовании ледебурита становится цементит, а эвтектика приобретает сотовое строение (сотовый ледебурит).

При понижении температуры содержание углерода в аустените, входящем в ледебурит, снижается по линии ЕS. При 727ºС происходит перлитное превращение аустенита.

В сплаве VII кристаллизация начинается с образования кристаллов цементита. Такой цементит называют первичным. Он выделяется из жидкости при охлаждении в интервале температур 1– Состав жидкости при этом меняется по линии ликвидус и в точке 2 жидкость содержит 4,3% углерода. Количественное соотношение жидкой и твердой фаз в точке 2 определяется соотношением отрезков F2 и С2, при 1147ºС происходит эвтектическое превращение, жидкость состава точки С (4,3%С) согласно эвтектической реакции образует ледебурит. Аустенит образовавшегося ледебурита при охлаждении испытывает превращения, рассмотренные выше. При комнатной температуре структура сплава VII состоит из ледебурита и первичного цементита. На практике заэвтектический белый чугун применяется редко, т.к. он обладает чрезвычайно низкой пластичностью.

На свойства сплавов оказывает большое влияние различие в размерах и расположении выделений цементита. Первичный цементит выделяется при высоких температурах непосредственно из жидкой фазы. Его кристаллы – крупные, т.е. он дает наиболее грубые выделения.

Вторичный цементит выделяется из аустенита при достаточно высоких температурах и высокой скорости диффузии. Поэтому вторичный цементит образуется в виде сетки по границам зерен. Третичный цементит выделяется из феррита при сравнительно низких температурах обычно внутри зерен в виде дисперсных включений. Эти включения увеличивают прочность феррита.

Таким образом, сплавы системы Fe–Fe₃C по структурному признаку делят на две группы: углеродистые стали и белые чугуны. Несмотря на видимую сложность структурных форм, особенно у высокоуглеродистых сплавов, все области диаграммы являются однофазными или двухфазными.