Первичная и вторичная кристаллизация стали

ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫСОСТОЯНИЯ

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ И

МИКРОСТУРНЫЙ АНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

Цель работы

1. Ознакомиться с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов и изучить природу превращений в углеродистых сталях при медленном непрерывном охлаждении.

2. Изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновес­ном состоянии.

3. Изучить влияние содержания углерода на механические свойства медленно-охлажденных сталей.

Задание

1.Построить диаграмму состояния системы Fe-Fe₃C.

2. Построить кривую охлаждения для сплава с содержанием углерода, указанным преподавателем.

3. Исследовать с использованием микроскопа контрольные шлифы сталей, определить их фазовый состав, структуру и пример­ное содержание углерода. Зарисовать микроструктуры исследованных сталей.

Основные сведения

Принципиально важным для железо-углеродис­тых сплавов является то, что основной компонент - железо су­ществует в двух аллотропических модификациях: объемноцентрированного куба (Fe_a) и гранецентрированного куба (Fe_g). Из кривой охлаждения чистого железа (рис.1) видно, что Fe_a существует в двух интервалах температур: ниже 911°С и от 1392 до 1539°С. Достигнув при охлаждении температуры 1392°С, Fe_a претерпевает аллотропическое превращение, в процессе ко­торого кристаллическая решетка объемно-центрированного куба при постоянной температуре перестраивается в решетку гранецентрированного куба Fe_g. Второе аллотропическое превращение в процессе охлаждения происходит при температуре 911°С, когда Fe_g (решетка гранецентрированного куба) перестраивается в объемноцентрированную кубическую решетку Fe_a.

При температуре 768°С, называемой точкой Кюри, железо испытывает магнитное превращение: ниже 768°С железо становится

магнитным. Магнитное превращение есть особый вид превращения и имеет ряд особенностей, отличающих его от аллотропического прев­ращения.

Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химические соединения.

В зависимости от содержания углерода железо-углеродистые сплавы делятся на два класса: стали и чугуны.

Сталями называются сплавы, содержащие до 2,14% углерода. Чугуны имеют в своем составе от 2,14 до 6,67% углерода.

В зависимости от содержания углерода и структуры сталей различают:

- техническое железо - сплавы, содержащие до 0,02% угле­рода.

- доэвтектоидные стали - сплавы, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода,

- эвтектоидные стали - сплавы, содержащие 0,8% углерода,

-заэвтектоидные стали - сплавы, содержащие от 0,8 до 2,14% углерода.

Первичная и вторичная кристаллизация стали

При изучении превращений в железо-углеродистых сплавах в процессе медленного охлаждения и их микроструктуры в равновес­ном состоянии пользуются диаграммой состояния "железо-цементит" (рис.2), основы для разработки которой были впервые даны Д.К.Черновым в 1886 г.

Диаграмма состояния ''железо-цементит", как и другие диаг­раммы состояния для двухкомпонентных систем, построена в коор­динатах "температура-концентрация углерода в %”. Максимальная концентрация углерода на диаграмме состояния составляет 6,67 %, что соответствует 100% цементита.

Первичная кристаллизация - это переход металла из жидкого состояния в твердое, т.е. процесс образования твердых кристал­лов непосредственно из жидкого расплава.

Для углеродистых сталей этот процесс начинается при охлаж­дении, когда температура достигает значений, соответствующих линии АВС, и заканчивается на линии HJE. После окончания первичной кристаллизации и достижения температуры, соответствующей линии HJE, сталь, независимо от содержания в ней углерода, имеет полиэдрическую структуру аустенита, который при дальнейшем медленном охлаждении сохраняется до линии GS — в доэвтектоидных сталях и до линии SE - в заэвтектоидных.

В отличие от первичной кристаллизации процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы носит название вторичной кристаллизации.

Сущность вторичной кристаллизации для углеродистых сталей состоит в распаде аустенита при охлаждении стали и образовании новых фаз: феррита и цементита.

Вторичная кристаллизация в доэвтектоидных сталях начинает­ся

выделением феррита при достижении уровня температур при ох­лаждении, соответствующих линии GS. Из диаграммы состояния видно, что

температура начала вторичной кристаллизации не пос­тоянна. В доэвтектоидных сталях она понижается с увеличением содержания углерода.

В областиGSP структура состоит из двух фаз: ауcтенита и феррита. По мере охлаждения отлинии GS к линии PSколичество феррита постепенно увеличивается, а количество аустенита уменьшается; при этом в оставшемся аустените концен­трация углерода увеличивается по линии GS в направлении к точке S и достигнет 0,8 % при 727°С (линия PS).

При охлаждении заэвтектоидных сталей из аустенита по линии ES начинает выделяться вторичный цементит. При дальнейшем охлаждении между линиями ES и SK структура стали состоит из аустенита и вторичного цементита, количество которого непре­рывно возрастает. Охлаждаясь, аустенит обедняется углеродом и достигает эвтектоидного состава (0,8 %С) при температуре 727° С (линия SK).

Таким образом в доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоид­ных сталях при температуре 727°С аустенит содержит 0,8 %С и рас­падается при постоянной температуре на две фазы: феррит и цемен­тит:

А_0,8%С ® (Ф_0,02%С + Ц_6,67%С),

а структура образующейся механической смеси называется перлитом.