Строение сварных соединений железоуглеродистых сплавов.
Сварные соединения сталей состоят из: металла шва, околошовной зоны (ОШЗ), основного металла. Отличие сварного шва заключается в том, что в шве структура литая, а в основном металле обычно деформированная; а также различие в самом составе металла. Состав околошовной зоны при сварке не изменяется, но меняется ее строение.
В сварных соединениях железоуглеродистых сплавов можно наблю-дать следующие основные структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит, графит; а также сорбит, троостит, мартенсит, бейнит.
К железоуглеродистым сплавам относятcя стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сплава, являются железо и углерод. Железо может находиться в двух аллотропических формах α и γ. Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химические соединения. Растворимость углерода в α - железе очень мала (0,02 % при температуре 7270С).
Твердый раствор углерода и других элементов в α - железе называется ферритом. Феррит имеет низкую твердость (НВ 80) и прочность (δв=250 МПа) и высокую пластичность (б=50 %, ψ=80 %).
Углерод растворяется в γ – железе гораздо лучше: до 2.14 % при температуре 11470С. Твердый раствор углерода и других элементов в γ – железе, называется аустенитом. Характерная особенность аустенита заключается в том, что в железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Железо с углеродом образует также химическое соединение – карбид железа Fe3C, называемое цементитом. В цементите 6,67% С, он имеет высокую твердость (НВ 800), но чрезвычайно низкую, практически нулевую пластичность. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают.
Диаграмма железо – углерод (цементит): стали и чугуны.
Диаграмма состояния Fe-С (рис.1) рассматривает превращения, имеющие место в сплавах с концентрациями углерода от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с большим содержанием углерода практического применения не имеют.
По горизонтали оси диаграммы отложено содержание углерода от 0 до 6,67% С или цементита (Fe3C) от 0 до 100%, а по вертикальной оси – температура. Каждая точка на диаграмме характеризует определённый состав сплава при определённой температуре. Диаграмма состояния Fe-C (Fe3C) является сложной. Превращение в этих сплавах происходит не только при затвердевании жидкого сплава, но и в твёрдом состоянии вследствие перехода железа из одной аллотропической формы в другую. Железо известно в двух аллотропических модификациях: α и γ; α - железо существует при температурах ниже 9100С и выше 14010С (δ - железо).
Линия АВСD является ликвидусом системы, линия AHJECF – солидусом. Точка А (15390С) на диаграмме отвечает температуре плавления чистого железа.
Рис. 1 – Диаграмма состояния Fe-C (железо-цементит)
Точка D соответствует температуре плавления цементита, точки N и G аллотропическому превращению α - железа в γ - железо. Точка Е характеризует предельную растворимость углерода в γ - железе при 11470С.
В системе имеются следующие фазы: жидкая, цементит, феррит, аустенит. По линии ликвидуса АС (при температурах, соответствующих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD – цементит, называемый цементит первичный. В точке С при температуре 11470С и содержании в расплаве 4,3% углерода одновременно кристаллизуется аустенит и первичный цементит, образуя эвтектику – ледебурит. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита. На линии солидуса ЕС (11470С) сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита.
На линии солидуса ЕС (11470С) сплавы с содержанием углерода от 2,14% до 4,3% окончательно затвердевают с образованием структуры ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аустенит, следовательно, такие сплавы рослее затвердевания имеют структуру аустенит + ледебурит.
На линии солидуса CF (11470С) сплавы с содержанием углерода от 4,3% до 6,67% окончательно затвердевают также с образованием ледебурита. Так как при более высоких температурах из сплава выделяется цементит (первичный), следовательно, такие сплавы имеют структуру цементит первичный + ледебурит.
В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14% образуется однородная структура – аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях образуется аустенитная структура, называются сталями.
Сплавы с содержанием углерода более 2,14%, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурит, называются чугунами. В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSE, PSK, PQ. Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSPG имеется структура аустенит + феррит. Критические точки, образующие линию GS, обозначаются А3; при нагреве - Ас3, а при охлаждении Ar3.
Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустенитах уменьшается. Так, при температуре 11470С в аустените может раствориться углерода 2,14%, а при 7270С – 0,8%. С понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2.14% из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого цементитом вторичным. Следовательно, ниже линии SE сталь имеет структуру: аустенит + цементит вторичный. Критические точки, образующие линию SE, обозначаются Acm.
В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3% при 11470С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры выделяется вторичный цементит. Следовательно, ниже линии EC (до температуры 7270С) белый чугун имеет структуру ледебурит + аустенит + цементит вторичный.
Линия PSK (7270С) – это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом.
Критические точки на линии PSK обозначаются А1; при нагреве их обозначают Ас1, а при охлаждении – Аr1. Ниже 7270C железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры. Стали, содержащие углерода менее 0,8%, имеют структуру феррит + перлит и называются доэвтектидными. Сталь с содержанием углерода 0,8% имеет структуру перлита и называется эвтектоидной. Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% имеют структуру перлит + цементит вторичный и называются заэвтектоидными.
Белые чугуны с содержанием С от 2,14 до 4,3 % имеют структуру перлит + цементит вторичный + ледебурит и называются доэвтектическими. Белый чугун с содержанием С 4,3% имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим. Белые чугуны с содержанием С от 4,3% до 6,67% имеют структуру цементит вторичный + ледебурит и называются заэвтектическими.
Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727о С до 0,006% при комнатной температуре. При охлаждении из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным (ЦIII). В большинстве сплавов ЦIII не выявляется структурно. Но в низкоуглеродистых сталях при медленном охлаждении ЦIII выделяется по границам зерен феррита и уменьшает пластичность стали и способность к холодной штамповке.
Верхний левый угол диаграммы состояния Fe-C описывает превращения, связанные с аллотропическим γ↔δ превращением при высоких температурах. При высоких температурах, соответствующих линии АВ, из жидкого сплава выделяются кристаллы δ - твердого раствора. На горизонтали НУВ (при 14920С) происходит перитектическое превращение, при котором жидкая фаза состава точки В в количестве, определяемом отрезком JВ, реагируя между собой, образуют аустенит (состава точки J). В сплавах, лежащих левее точки J и потому имеющих избыточное количество кристаллов δ – твердого раствора, при переходе линии перитектического превращения образуется структура аустенит + кристаллы δ – твердого раствора, а в сплавах, лежащих правее точки J и имеющих избыточное количество жидкой фазы, при переходе линии перитектического превращения образуется структура аустенит + жидкий сплав.