Кристаллизация сталей и твердофазные превращения в сталях. Выделение аустенита, феррита, цементита, перлитное превращение

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:

I_>гр.>– от 0 до 0,1% С (до т.H)

II_>гр.> – от 0,1 до 0,16% С (от т. H до т. J)

III_>гр.> – 0,16% C (т. J)

IV_>гр.> – от 0,16 до 0,51% С (от т. J до т. В)

V_>гр.> – 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 t_>2> ─ количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций увеличивается, и немного ниже t_>2> начинается процесс кристаллизации. Линия АВ ─ линия насыщения жидкого сплава δ-Ферритом. Состав жидкости описывается линией ликвидус, а δ-Ф по линии солидус.

При t_>3> жидкая фаза имеет состав т. б, а δ-Ф ─ состав т. а.

При t_>4> кристаллизация заканчивается, ниже этой температуры существует только δ-Ф, вплоть до температуры t_>5>.

Ниже t_>5> δ-Ф пересыщается –Fe (Аустенитом) и происходит его выделение.

При температуре t_>6> ─ точка в описывает состав ─ δ-Феррита, точка г ─ описывает состав Аустенита.

Количественное соотношение фаз:

δ-Ф_>в> =

А_>г>=

Ниже точки 7 существует только аустенит.

Сплав II

Точка 1, 2, 3 ─ аналогично сплаву l.

При температуре t_>4,> соответствующей перитектическому равновесию, состав жидкой фазы определяется точкой В, а состав δ-Феррита точкой Н:

δ-Ф_>н> + Ж_>в> _>> А_>J> + δ-Ф_>н>(остаточный или избыточный)

При дальнейшем охлаждении ниже t_>4> остаточный δ-Ф_>ост.> 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-Ф_>н> + Ж_>в> _>> А_>J> (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-Ф_>н> + Ж_>в> _>> А_>J> + Ж_>ост>_>.>

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:

А_>а>=,

Ф_>б>=,

(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 t_>5> 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:

Ц_>III> = (max Ц_>III>=0,29%)

Ф_>Q> =

(Ц_>III> ─ более 0,17% С не брать.)

Сплав II (доэвтектоидная сталь ─ 0,3% С)

Точки 1 и 2 аналогично сплаву I. При t_>3> размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций становится критическим и появляется возможность перекристаллизации А в Ф.

Количественное соотношение фаз:

А_>y>=,

Ф_>Z>= .

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 t_>4> (727º С) содержание углерода в аустените достигает 0,81% (точка S).

При t_>4>:

Ф_>р> =,

А_>s>_>>= .

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:

А_>s> _>> Ф_>р>+ Ц ─ эвтектоид,

перлит

т.е. перлита будет столько же, сколько аустенита до превращения – П=А_>S>=35%.

Т.о., структура стали после охлаждения будет: Ф_>р> 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 t_>5> для сплава с 0,3% С.

т.Q = 0,006% С.

т.L = 6,67% С.

Канода QL ─ 100%:

Ф_>Q>_>>= ,

Ц_>L>_>>=.

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 (t_>3>=727ºС), Аустенит распадается с образованием эвтектоидной смеси (Ф+Ц):

A_>S> _>> Ф+Ц