Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих различное
количество углерода. При анализе кристаллизации доэвтектоидной стали проведем для примера расчет числа степеней свободы по формуле
с = k - f +1,
где с - число степеней свободы,
k -количество компонентов, f - число фаз
Кристаллизация доэвтектоидной стали, содержащей более 0,51 %С (рис. 3), начинается в точке 1, где в жидкой фазе зарождаются первые зерна аустенита, и заканчивается в точке 2. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус BC, а аустенита - по линии солидус JE. Между точками 1 и 2 число степеней свободы с = 2 - 2 + 1 = 1 (два компонента - железо и углерод, две фазы - жидкость и аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита.
Между точками 2 и 3 идет охлаждение аустенита. Между точками 2 и 3 число степеней свободы с = 2 - 1 + 1 = 2 (два компонента - железо и углерод, одна фаза - аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры.
В интервале от точки 3 до точки 4 происходит превращение аустенита - выделяя низкоуглеродистый феррит, аустенит обогащается углеродом в соответствии с линией GS и в точке 4 концентрация углерода в нем достигает эвтектоидной -0,8%С. Между точками 3 и 4 число степеней свободы с = 2 - 2 + 1 = 1 (два компонента -железо и углерод, две фазы - аустенит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры.
При постоянной температуре 727 °С (площадка 4-4') происходит эвтектоидное превращение A —» ФР +Ц аустенита в мелкодисперсную механическую смесь феррита и цементита, называемую перлитом. В точке 4 число степеней свободы с = 2 - 3 + 1 = 0 (два компонента - железо и углерод, три фазы - а устенит, феррит и цементит), что подтверждает выделение перлита при постоянной температуре.
При дальнейшем охлаждении до точки 5 происходит выделение из феррита избыточного углерода (в связи с понижением растворимости по линии диаграммы PQ) в виде третичного цементита. Между точками 4 и 5 число степеней свободы с = 2 - 2 + 1 = 1 (два компонента - железо и углерод,
две фазы - феррит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. Конечная структура Ф + П +Цш (феррито-перлитная).
Количественное соотношение между ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода (чем выше содержание углерода, тем больше перлита).
Кристаллизация зазвтектоидных сталей (рис.4) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава аустенита и заканчивается в точке 2. Состав жидкого расплава изменяется по линии BC, а аустенита - по линии JE. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита.
При дальнейшем охлаждении от точки 2 до точки 3 структурных превращений сталь не претерпевает, идет простое охлаждение.
В интервале точек 3-4 происходит выделение вторичного цементита в связи с уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. При медленном охлаждении цементит выделяется по границе аустенитных зерен. Состав аустенита изменяется согласно линии ES и в точке 4 при температуре 727 °С аустенит содержит 0,8% С.
На линии SK (на кривой - площадка 4-4') происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. При дальнейшем охлаждении ниже точки 4 из феррита, входящего в перлит, выделяется третичный цементит. Третичный цементит, наслаиваясь на кристаллы вторичного цементита и цементита перлита, не оказывает заметное влияние на свойства. Поэтому при рассмотрении структур заэвтектоидных сталей о третичном цементите обычно не упоминают. Конечная структура П +Цц +Цш - перлито-цементитная.
Доэвтектические чугуны (рис.5) начинают кристаллизацию в точке 1, где при последующем охлаждении происходит выделение из жидкой фазы кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которого определяется линией JE, а жидкого расплава -линией ликвидус BC.
В точке 2 содержание углерода в расплаве достигает 4,3% и при постоянной температуре 1147 °С оставшийся расплав кристаллизуется в эвтектику (дисперсную смесь аустенита, содержащего 2,14%С, и цементита), называемая ледебуритом LC —>AE+Ц. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При дальнейшем охлаждении (участок 2 - 3) аналогично заэвтектоидной стали из аустенита (структурно свободного и входящего в состав ледебурита) выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита. Аустенит при этом обедняется углеродом и при температуре 727°С приобретает состав, соответствующий эвтектоидному.
В точке 3 начинается эвтектоидное превращение аустенита в перлит при постоянной температуре 727 °С (площадка 3-3'). Перлит образуется из структурно свободного аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита. Ледебурит, состоящий из смеси цементита и перлита, носит название видоизмененного ледебурита Лвид (П+Ц) в отличие от ледебурита состава Л (А+Ц).
При дальнейшем охлаждении от точки 31 до точки 4 происходит выделение избыточного углерода из феррита, входящего в перлит и видоизмененный ледебурит, в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита и ледебурита. Третичный цементит не влияет на свойства чугунов из-за незначительного количества, по сравнению с общим количеством цементита в чугунах. Конечный состав доэвтектического чугуна П+Лвид+Цд, поэтому такой чугун называют перлито-ледебурито-цементитным чугуном.
Кристаллизация заэвтектических чугунов (рис.6) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава первичного цементита. При этом состав расплава изменяется по линии DC. Выделяя высокоуглеродистую фазу - цементит, расплав обедняется углеродом и при температуре 1147°С содержит 4,3%С. При постоянной температуре расплав кристаллизуется с образованием ледебурита. При дальнейшем охлаждении из аустенита, входящего в ледебурит, выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита, и состав аустенита изменяется по линии ES.
При достижении температуры 727°С аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит A → Фр +Ц и образуется видоизмененный ледебурит.
При дальнейшем охлаждении от точки 3 до точки 4 из феррита, входящего в состав перлита видоизмененного ледебурита, выделяется избыточный углерод согласно кривой PQ в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита. Конечная структура заэвтектического чугуна Лвид +Ц1 +Цll носит название ледебуритно-цементитного чугуна.
Таким образом, у всех сталей, содержащих менее 2,14%С, в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита, а после затвердевания не содержится хрупкой структурной составляющей - ледебурита; у всех чугунов, содержащих более 2,14%С, структура первичной кристаллизации состоит из ледебурита с первичным аустенитом или цементитом, а при комнатной температуре структура состоит из видоизмененного ледебурита, цементита и, у доэвтектического чугуна, перлита.
Стали при высоком нагреве имеют аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью, поэтому они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах.
Чугуны обладают лучшими литейными свойствами, в том числе более низкой температурой плавления и имеют меньшую усадку.
Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать следующий материал:
1. Диаграмму состояния Fe –Fe3 C (в масштабе).
2. Кривые охлаждения сплавов (содержание углерода задает преподаватель) согласно диаграмме Fe –Fe3 C.
Вопросы для самопроверки
1.Общая характеристика диаграммы Fe - C..
2.Назовите области диаграммы (однофазные и двухфазные).
3.Назовите фазы в диаграмме и охарактеризуйте каждую из них.
4.В каких состояниях может находиться углерод в железоуглеродистых сплавах
5.Объясните, как определяется состав и количество фаз в диаграмме?
6.Расскажите суть правила отрезков.
7.Правило фаз: дать пример его использования.
Литература
1. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металллургия, 1986. - 542 с.
2. Арзамасов Б. И. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1986.
3. Лахтин Ю.М., Леонтьева Б.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. - 493 с.
4. Основы материаловедения. Под ред. И.И.Сидорина. - М.: Машиностроение, 1976.
5. Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. - М.: Металлургия, 1983.
6. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1984. 359 с.