При эвтектоидном превращении в сталях и чугунах

Обновлено: 05.05.2024

Сталями называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %. Сплавы с большим содержанием углерода (2,14 до 6,67 %) называются чугунами. Границей между сталями и чугунами принято считать проекцию точки Е, т.е. точки максимального насыщения аустенита углеродом, от которой начинается линия эвтектического равновесия. В результате первичной кристаллизации стали образуется аустенит (линия АЕ).

В отличии от сталей структура чугуна характеризуется наличием эвтектики, которая состоит из аустенита и цементита.

Первичная кристаллизация стали. На рис. 1 показан верхний участок упрощенной диаграммы Fe-Fe₃C.

Рис. 1 . Верхний левый участок упрощенной диаграммы состояния железо-цементит.
а) Первичная кристаллизация сплавов до 2,14 %С (сталей); б) кривая охлаждения сплава 1

В сталях из жидкой фазы кристаллизуется аустенит. Состав жидкой фазы меняется по проекции линии АС на ось концентраций, твердой фазы по проекции линии АЕ.

Превращения в твердом состоянии. Окончательное формирование структуры стали происходит в результате превращений аустенита при дальнейшем охлаждении. Основой этого превращения является полиморфизм, связанный с перегруппировкой атомов из ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку феррита, а также изменение растворимости углерода по линии ES в аустените и PQ в феррите. В сплавах с содержанием от 0,025 до 2,14 %С вторичные превращения начинаются при температурах, соответствующих линиям GS и SE и заканчиваются при температуре ниже 727 °С и линии PSK, в результате эвтектоидной реакции.

Сплавы с содержанием углерода менее 0,025 % не испытывают эвтектоидного превращения. Критические точки аустенит ® феррит превращения (линия GS) в доэвтектоидных сталях обозначаются так же, как аллотропическое превращение в чистом железе, с индексом А₃, т.е. при нагреве Ас₃,т.е. при охлаждении Аr₃. Выделение цементита из аустенита в заэвтектоидной стали (линия SE) обозначается индексом Аc_m. При температуре 727 °С (линия PSK) критические точки обозначаются индексом А₁; при нагреве Аc₁; при охлаждении Аr₁. Распад аустенита при эвтектоидном превращении по метастабильной системе проходит с образованием феррита и цементита при переохлаждении ниже 727 °С.

(Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом).

Рассмотрим структурообразование нескольких групп сплавов. На рис. 18 приведена левая нижняя часть диаграммы состояния железо-цементит с кривыми охлаждения типичных сплавов и микроструктурой.

Сплавы, содержание углерода в которых не превышает 0,006 %С (на примере сплава 1). До температуры несколько ниже t₃ (линия GS) аустенит охлаждается без изменения состава. В интервале t₃ – t₄ происходит полиморфное А® Ф превращение. На стыках и границах зерен аустенита возникают зародыши феррита, которые растут и развиваются за счет атомов аустенитной фазы. Ниже температуры t₄ сплав состоит из однородного a -твердого раствора – феррита. При дальнейшем охлаждении никаких превращений не происходит (Рис. 18б).

Сплавы с содержанием углерода от 0,006 до 0,025 % (сплав П рис. 2 в). Так же как и в предыдущем сплаве в интервале температур t₅ – t₆ происхо- дит полиморфное А® Ф превращение. Ниже t₆ в сплаве имеется ферритная фаза. Однако ниже температуры t₇ изменение состава феррита, согласно предельной растворимости углерода в феррите по линии РQ, приводит к образованию более высокоуглеродистой фазы – цементита. Этот цементит называется третичным. Как правило третичный цементит располагается по границам ферритных зерен (рис. 2в). Максимальное количество третичного цементита составляет около 0,3 %. Несмотря на такое малое количество, расположение его вокруг зерен феррита в виде хрупких оболочек сообщает малоуглеродистому сплаву низкие пластические свойства, т.е. приводит к его охрупчиванию. Во избежании этого проводится специальная термическая обработка – старение, в результате которой третичный цементит выделяется в виде дисперсных частиц, равномерно распределенных по всему зерну.

Сталь эвтектоидного состава – содержание углерода 0,8 % (рис.2, сплав Ш).

В этом случае при охлаждении аустенита имеется только одна критическая точка А_s, отвечающая температуре 727 °С. При этой температуре аустенит находится в равновесии с ферритом и цементитом:

А_s p+ Ц ( )

Эвтектоидный распад аустенита состава точки S (0,8 %С) на феррит состава точки Р (0,025 %С) и цементит происходит при некотором переохлаждении, т.е. ниже 727 °С. Эвтектоидная смесь феррита с цементитом называется перлитом. Соотношение феррита и цементита в перлите составляет примерно 7,3 : 1.

Подсчет ведется по правилу рычага, несколько ниже эвтектоидной линии:

Доэвтектоидные стали. Сплавы с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 % называются доэвтектоидными сталями. Рассмотрим фазовые и структурные изменения доэвтектоидной стали на примере сплава Ш (рис. 2г). В интервале температур t₈–727 °C идет полиморфное превращение А® Ф. Состав аустенита меняется по линии GS, а феррита – по линии GP. При 727 °С концентрация углерода в аустените равна 0,8 % (точка S) и в феррите – 0,025 % (точка Р).

Ниже этой температуры происходит эвтектоидное превращение. В равновесии находятся три фазы: феррит состава точки Р, аустенит состава точки S, цементит. Так как число степеней свободы равно нулю, т.е. имеется нонвариантное равновесие, то процесс протекает при постоянном составе фаз. На кривых охлаждения или нагрева наблюдается температурная остановка. Таким образом, структура доэвтектоидной стали характеризуется избыточными кристаллами феррита и эвтектоидной смесью феррита с цементитом, называемой перлитом. Количественные соотношения феррита и перлита зависят от состава сплава. Чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем больше в структуре ее перлита и, наоборот, чем меньше углерода, тем больше феррита и меньше перлита. При дальнейшем охлаждении в результате изменения растворимости углерода в феррите (соответственно линии РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре обнаружить его при наличии перлита невозможно.

Заэвтектоидные стали. Сплавы с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % называются заэвтектоидными. Процессы структурообразования рассмотрим на примере сплава V. До температуры t₁₀ (линия ES) аустенит охлаждается без изменения состава. Несколько ниже этой температуры аустенит достигает предельного насыщения углеродом согласно линии растворимости углерода в аустените ЕS. В интервале температур t₁₀ - 727 °C из пересыщенного аустенита выделяется высокоуглеродистая фаза – цементит, который называется вторичным. Состав аустенита меняется по линии ЕS и при температуре 727 °С достигает точки S (0,8 %С). Максимальное количество вторичного цементита:

Рис. 2. Левый нижний участок диаграммы состояния железо-цементит. Вторичная кристаллизация сплавов:
а) диаграмма, б), в), г), д), е) кривые охлаждения сплавов

Ниже 727 °С происходит эвтектоидное превращение: аустенит состава точки S (0,8 %С) распадается на смесь феррита состава точки Р (0,025 %С) и цементита. Таким образом, структура заэвтектоидной стали характеризуется зернами перлита и вторичного цементита.

В реальной стали с 1,2 %С (У12) количество вторичного цементита составляет всего около 6 %.

При медленном охлаждении цементит, как правило располагается в виде тонкой оболочки. В разрезе это выглядит как сетка цементита. Более благоприятной формой цементита является зернистая, она не приводит к значительному снижению пластических свойств стали.

Чугуны. Все превращения в белых чугунах, начиная от затвердевания и до комнатных температур, полностью проходят по метастабильной диаграмме Fe-Fe₃C. Наличие цементита придает излому светлый блестящий цвет, что привело к термину “белый чугун”. Независимо от состава сплава обязательной структурной составляющей белого чугуна является цементитная эвтектика (ледебурит). На рис. 19 изображена структурная диаграмма равновесия железо-цементит и кривые охлаждения типичных сплавов.

Эвтектический белый чугун. Рассмотрим процессы затвердевания, формирования первичной структуры и дальнейших структурных превращений в твердом состоянии сплава эвтектического состава с 4,3 %С (сплав 1 рис. 3).

Затвердевание происходит в один этап при температуре ниже 1147 °С. Жидкая фаза с 4,3 %С образует эвтектическую структуру: смесь аустенита с 2,14 %С и цементита. Эта эвтектика называется ледебуритом. Как и всякая эвтектическая реакция, отвечающая нонвариантному (безвариантному) равновесию протекает при постоянной температуре и постоянном составе фаз. При эвтектической реакции ниже (1147 °С) содержание углерода в аустените максимально (2,14 %). Дальнейшее охлаждение от температуры 1147 °С до 727 °С приводит к непрерывному уменьшению в нем углерода согласно линии ограниченной растворимости ЕS. Углерод выделяется из аустенита в виде цементита, который называется вторичным цементитом (Ц_{вторичн}_.). Однако он, как правило, не обнаруживается, т.к. присоединяется к эвтектическому цементиту. Ниже температуры 727 °С аустенит эвтектики состава (0,8 %С) претерпевает эвтектоидное превращение , т.е. образуется перлит.Таким образом, ниже 727 °С ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита. Такой ледебурит называется превращенным. При охлаждении до комнатной температуры в результате изменения растворимости углерода в феррите (линия РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре он не обнаруживается. На рис. 3 б показана структура белого чугуна эвтектического состава. Она представляет собой одну эвтектику – ледебурит. Темные участки (зернышки и пластинки) отвечают перлитным включениям, равномерно распределенным на светлом фоне цементита.

Доэвтектические белые чугуны. Железоуглеродистые сплавы состава 2,14 – 4.3 %С называются доэвтектическими белыми чугунами. Рассмотрим процесс кристаллизации и вторичных превращений на примере сплава П рис.3. От температуры несколько ниже линии ликвидус АС до 1147 °С из жидкости выделяются кристаллы аустенита. Аустенит кристаллизуется в форме дендритов, которые, как правило, обладают химической неоднородностью, называемой дендритной ликвацией. Состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, стремясь к эвтектическому, а твердой по линии солидус, стремясь к составу точки Е. При температуре 1147 °С концентрация жидкой фазы достигает точки С (4,3 %С), а аустенита – точки Е (2,14 %С). Из жидкости эвтектического состава образуется смесь аустенита и цементита – ледебурит 1147 °С.

Таким образом, ниже эвтектической линии ЕСF структура характеризуется избыточными кристаллами аустенита и эвтектикой (ледебуритом). При охлаждении от 1147 до 727 °С состав аустенита непрерывно меняется по линии ЕS, при этом выделяется цементит вторичный (Ц_{вторичн}_.). Вторичный цементит выделяется как из избыточного аустенита, так и из аустенита эвтектики. Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую.

Ниже 727 °С весь аустенит: и избыточный, и тот, который входит в состав эвтектики – претерпевает эвтектоидное превращение, при котором образуется перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура доэвтектического белого чугуна характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита и цементитом вторичным. Структура реального доэвтектического белого чугуна изображена на рис. 3 в. Чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики – ледебурита.

Заэвтектический белый чугун. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % (сплав Ш) называются заэвтектическими белыми чугунами. Кристаллизация начинается при температуре t₄ несколько ниже линии СD выпадением цементита, который называется цементитом первичным(Ц_{первичн}_.). Состав жидкой фазы меняется по линии СD, твердая – остается без изменения. При температуре 1147 °С заканчивается кристаллизация избыточных кристаллов Ц_{первичн}_.. Жидкость состава точки С (4,3 %С) согласно эвтектической реакции образует ледебурит. При дальнейшем охлаждении изменение состава аустенита по линии ЕS приводит к выделению цементита вторичного (Ц_{вторичнн}_.), который присоединяется к эвтектическому Температура 727 °С является температурой эвтектоидного равновесия аустенита, феррита и цементита. Ниже этой температуры аустенит превращается в перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура заэвтектического белого чугуна характеризуется избыточными кристаллами цементита первичного (белые пластины) и превращенным ледебуритом, состоящим из темных полосок или зернышек перлита и светлой основы – цементита. На рис. 3 г изображена кривая охлаждения и структура белого заэвтектического чугуна.

Рис.3. Диаграмма состояния “железо-цементит” (структурная) и кристаллизация белых чугунов. а) – диаграмма, б), в), г) – кривые охлаждения сплавов со схемами микроструктур при нормальной температуре

Индивидуальное задание № 2

Диаграмма системы Fe-Fe₃C

В таблице 1 приведены исходные данные для выполнения второго индивидуального задания, указана массовая доля углерода (колонка 2 табл.).

Варианты заданных сплавов

№ варианта	% углерода (по массе)	№ варианта	% углерода (по массе)	№ варианта	% углерода (по массе)
5,0	0,1	4.5
4,3	3,5	0,6
1,0	0,9	0,25
3,0	0.022	1,1
0,8	0.018	4,7
0,4	2,0	0,5
1,3	2,8	1,2
2,2	0.35	0,9
5,5	0,7	0,05
0,012	1,8	0,045

Порядок выполнения задания

1. В соответствии с номером Вашего варианта выписать из табл. 1 массовую долю углерода контрольного сплава.

2. На листе формата А4 вычертить диаграмму состояния Fe-Fe₃C. Обозначить структурные составляющие во всех областях диаграммы.

3. Нанести на диаграмму фигуративную линию контрольного сплава, выполнить построение необходимых конод.

4. Построить кривую охлаждения контрольного сплава. Дать подробное описание его микроструктуры при медленном охлаждении. Привести необходимые реакции.

5. Указать к какой группе железоуглеродистых сплавов он относится, по возможности привести марку рассмотренного сплава, его применение.

6. Схематически изобразить микроструктуру сплава в интервале температур первичной кристаллизации и при комнатной температуре. На рисунке отметить структурные составляющие.

Отчет по индивидуальному заданию выполняется по установленной форме.

Контрольные вопросы для защиты задания

1. Какое превращение происходит в железоуглеродистых сплавах при температуре 1147 °С?
2. Какое превращение происходит в железоуглеродистых сплавах при температуре 727 °С?
3. Какой фазовый состав имеют стали по завершению процесса первичной кристаллизации?
4. Какой фазовый состав имеют стали при комнатной температуре?
5. Чем отличается ледебурит от ледебурита превращенного?
6. Чем отличаются структурные составляющие “цементит первичный”, “цементит вторичный”, “цементит третичный”?
7. Назовите все характерные точки диаграммы и их общепринятые международные обозначения.
8. Каким образом отличаются обозначения критических точек при нагреве и охлаждении?
9. Назовите стабильную и метастабильную модификации углерода.
10. Назовите характеристики точек и линий диаграммы.
11. Что называют перлитом?
12. Что называют ледебуритом?
13. Что называют аустенитом?
14. Что называют ферритом?
15. Чем отличаются превращения в твердом состоянии у доэвтектоидной и заэвтектоидной стали?
16. Какая фаза первично кристаллизуется в заэвтектических белых чугунах?
17. Изобразите фазовую диаграмму железо-цементит.
18. Как называется чугун в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида?
19. Какая фаза первично кристаллизуется в доэвтектических белых чугунах?
20. Какой сплав называют техническим железом?

Превращения, происходящие при нагреве и охлаждении сталей и чугунов

Сталь доэвтектоидная с содержанием 0,3 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ac₁ (727 °С) превращений нет, и сталь имеет структуру перлит + феррит. При Ас₁ (727 °С) происходит превращение перлита в аустенит и образуется структура аустенит + феррит. От Ас₁ до Ас₃ феррит превращается в аустенит. При Ас₃ сталь имеет структуру аустенита. От Ас₃ до tc 1 (температуры солидуса) сталь находится в твердом состоянии и имеет структуру аустенита. При температуре солидуса начинается плавление аустенита.

От температуры солидуса tc 1 до температуры ликвидуса tл 1 имеется аустенит + жидкий сплав. Выше tл 1 сталь находится в жидком состоянии.

Рис. 33. Диаграмма состояния Fe – Fe₃C (в упрощенном виде)

При охлаждении до температуры tл 1 сталь находится в жидком состоянии. При tл 1 начинается кристаллизация аустенита. От tл 1 до tс 1 происходит кристаллизация аустенита, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл 1 до Аr₃ сталь имеет структуру аустенита. От Аr₃ до Аr₁ часть аустенита превращается в феррит, и сталь имеет структуру: аустенит + феррит. При Аr₁ (727 °С) происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar₁ сталь до полного охлаждения имеет структуру: перлит + феррит (см. рис. 30, а).

Сталь эвтектоидная с содержанием 0,8 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ас₁ (727 °С) превращений нет, и сталь имеет перлитную структуру. При Ac₁ происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ac₁ до начала плавления сталь имеет аустенитную структуру. При температуре солидуса (для этой стали tc 2 ) начинается плавление аустенита. От tc 2 до tл 2 (температура ликвидуса) происходит плавление, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. Выше tл 2 сталь находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до tл 2 сталь находится в жидком состоянии. При tл 2 начинается кристаллизация аустенита. От tл 2 до tс 2 происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл 2 до Ar₁ (727 °С) сталь состоит из аустенита. При Ar₁ происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar₁ сталь имеет структуру перлита (рис. 30, б).

Сталь заэвтектоидная с содержанием 1,2 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ас₁ (727 °С) превращений нет, и сталь имеет структуру: перлит + цементит вторичный. При Ас₁ происходит превращение перлита в аустенит. От Ас₁ до Аст (критическая точка, лежащая на линии SE) происходит растворение вторичного цементита в аустените. При Аст сталь имеет аустенитную структуру. От Аст до температуры солидуса tс 3 , лежащей на линии АЕ, сталь находится в аустенитном состоянии. При tс 3 начинается плавление аустенита. В интервале от tс 3 до tл 3 сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. Выше tл 3 сталь полностью находится в жидком состоянии.

При охлаждении до tл 3 сталь находится в жидком состоянии. При tл 3 (температура ликвидуса) начинается кристаллизация аустенита. От tл 3 до
tс 3 происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из жидкого сплава и аустенита. При tс 3 (температура солидуса) сталь полностью затвердевает, и структура ее представляет аустенит. От tс 3 до линии SE (температура Аст) структура стали не изменяется. При Аст начинается выделение вторичного цементита.

От Аст до Аr₁ (727 °С) происходит выделение вторичного цементита, и структура стали состоит из аустенита и вторичного цементита. При Аr₁ (727 °С) аустенит превращается в перлит. Ниже Аr₁ сталь имеет структуру: перлит + цементит вторичный (рис. 30, в).

Доэвтектический чугун с содержанием 3,0 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ас₁ превращений нет, и чугун имеет структуру: ледебурит + перлит + вторичный цементит. При этом эвтектика состоит из цементита и перлита. При Ac₁ происходит превращение перлита в аустенит. Это превращение претерпевает как свободный перлит, так и перлит, входящий в эвтектику. Выше Ас₁ чугун состоит из аустенита, вторичного цементита и ледебурита. При этом эвтектика состоит из цементита и аустенита.

От Ac₁ до t_э, (1147 °С) происходит растворение вторичного цементита в аустените и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %.

При t_э плавится ледебурит. Выше t_э чугун состоит из аустенита и жидкого сплава. От t_э, до tл 4 плавится аустенит. Выше tл 4 чугун находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до tл 4 чугун находится в жидком состоянии. При tл 4 начинается кристаллизация аустенита. От tл 4 до t_э (1147° С) происходит кристаллизация аустенита и при t_э чугун состоит из аустенита с содержанием 2,14 % углерода и жидкого сплава эвтектического состава (4,3 % углерода).

При t_э, происходит эвтектическая кристаллизация, и образуется ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием углерода 2,14 %. От t_э (1147 °С) до Аr₁ (727 °С) из аустенита как свободного, так и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит, и содержание углерода понижается до 0,8 %. Следовательно, в этом интервале температур чугун состоит из ледебурита, аустенита и вторичного цементита. При Аr₁ (727 °С) происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Аr₁ чугун состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита (см. рис. 31, а).

Эвтектический чугун с содержанием 4,3 % углерода(рис. 33).При нагреве до Ас₁ превращений нет, и чугун имеет структуру ледебурит, состоящий из цементита, перлита и вторичного цементита. При Ac₁ происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ас₁ чугун имеет структуру – ледебурит, состоящий из цементита, аустенита и вторичного цементита. От Ас₁ до t_э происходит растворение вторичного цементита и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %. При t_э чугун полностью расплавляется. Выше t_э чугун находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до t_э (1147 °С) чугун находится в жидком состоянии. При t_э (1147 °С) чугун полностью затвердевает, и образуется структура – ледебурит, состоящий из аустенита, содержащего 2,14 % углерода и цементита. От t_э до Аr₁ из аустенита выделяется вторичный цементит, и содержание углерода в аустените понижается до 0,8 %. При Аr₁ аустенит превращается в перлит. Ниже Аr₁ чугун имеет структуру – ледебурит, состоящий из цементита, перлита и вторичного цементита (см. рис. 31, б).

Заэвтектический чугун с содержанием 5,0 % углерода (см. рис. 33). При нагреве до Ас₁ превращений нет, и чугун имеет структуру – ледебурит + первичный цементит. При Ас₁ (727 °С) перлит, находящийся в эвтектике, превращается в аустенит. Выше Ас₁ чугун имеет структуру – ледебурит и первичный цементит, но эвтектика состоит из цементита и аустенита. От Аc₁ до t_э (1147 °С) происходит насыщение аустенита углеродом вследствие растворения вторичного цементита и при 1147 °С в аустените содержится 2,14 % углерода.

При t_э плавится эвтектика. Выше t_э чугун состоит из жидкого сплава и первичного цементита.

От t_э до tл 5 происходит плавление первичного цементита. Выше tл 5 чугун полностью находится в жидком состоянии.

При охлаждении до tл 5 чугун находится в жидком состоянии. При tл 5 начинается кристаллизация первичного цементита. От tл 5 до t_э (1147 °С) происходит кристаллизация первичного цеменТита, и чугун состоит из жидкого сплава и первичного цементита. При t_э чугун состоит из первичного цементита и жидкого сплава эвтектического состава, т. е. содержащего 4,3 % углерода, который, кристаллизуясь при этой температуре, образует ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием 2,14 % углерода.

Ниже t_э превращение претерпевает только ледебурит, а первичный цементит не изменяется. Превращение в ледебурите такое, как описано выше при рассмотрении доэвтектического и эвтектического чугуна, т. е. от t_э до Аr₁ внутри ледебурита выделяется вторичный цементит, и чугун состоит из ледебурита и первичного цементита.

При Аr₁ внутри эвтектики аустенит превращается в перлит. Ниже Ar₁ чугун состоит из ледебурита и первичного цементита (см. рис. 31, в).

1. Какие фазы образуются в метастабильной системе железо–углерод? Дайте их характеристику.

2. Напишите эвтектическую и эвтектоидную реакции системы Fe-Fe3C. Какие структурные составляющие при этом образуются?

3. Что такое эвтектоидная сталь, какова ее структура?

4. Какие стали являются заэвтектоидными, какова структура этой стали?

5. Что такое чугун и как подразделяются чугуны по содержанию углерода?

6. Опишите структуру чугунов: 2,5 %С, 3,8 %С, 4,3 %С, 5 %С?

7. Как меняется структурный и фазовый состав сплавов в зависимости от содержания углерода. Как это влияет на свойства сплава?

При эвтектоидном превращении в сталях и чугунах

Строго говоря, эвтектика - это точка на диаграмме состояния, в которой жидкость (расплавленный металл) находится в равновесии с двумя или несколькими твердыми фазами. Кристаллизация сплава в этой точке происходит при постоянной температуре.

На нашей любимой в лабораторных работах диаграмме состояния свинец-сурьма эвтектика обозначена точкой «С» (рис.1,а). В этой точке формируется структурная составляющая, которую также называют эвтектикой (рис.1,б).


а	б

Рисунок 1. Диаграмма состояния свинец-сурьма (а) и структура эвтектики свинец-сурьма.

Поскольку в металлографии мы имеем дело со структурами, то эвтектикой будем называть структурную составляющую, которая состоит из двух и более фаз, одновременно закристаллизовавшихся из расплава, и имеющую характерное строение. Т.е. эвтектика фазой не является, и об этом следует помнить.
Эвтектическое превращение (эвтектический распад жидкости) – это фактически многофазная кристаллизация, диффузионное разделение расплава на 2 одновременно образующиеся кристаллические фазы. В сущности, эвтектика является естественным композиционным материалом, поскольку фазы, ее составляющие, как правило существенно различны по своим свойствам.
Если компоненты сплава неограниченно растворяются друг в друге, то эвтектика не формируется. Это, например, сплавы Cu-Ni, Cu-Au, Ag-Au и пр.Примером сплавов с эвтектикой являются сплавы Al-Cu, Pb-Sn, Bi-Cd, Al-Si (рис.2) и многие другие. И конечно, сплавы системы железо-углерод, т.е. стали и чугуны.

Рисунок . 2 эвтектики в легированном силумине.

Т.о., эвтектика всегда формируется при кристаллизации (из жидкого в твердое).

Эвтектоид формируется при перекристаллизации твердого раствора. Чаще всего в качестве примера эвтектоида приводят перлит. Перлит образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита. В точке в точке S при 0,8% углерода структура состоит только из перлита (рис. 3).


а	б

Рисунок 3. Фрагмент диаграммы состояния (а) и эвтектоид системы железо-углерод (перлит) (б).

Главное: в эвтектику или эвтектоид превращается всегда раствор:
Эвтектоидное превращение: из твердого в твердое;
Эвтектическое превращение: из жидкого в твердое.

А еще надо сказать, что эвтектика (или эвтектоид) – это самая красивая фазовая составляющая. Богатейшим материалом для демонстрации эвтектик и эвтектоида является чугун. На рис. 4 приведена структура, содержащая 3 эвтектики и эвтектоид: фосфидная (1) и феррито-графитная (2) эвтектики, ледебурит (3), перлит (4).

Рисунок 4. Три эвтектики и эвтектоид

Различные структуры связаны между собой, и по виду отделить эвтектику и эвтектоида не всегда возможно. На рис.5 показан ледебурит (эвтектика) в доэвтектическом чугуне; структура чугуна аустенит + ледебурит. В свою очередь ледебурит – это цементит + аустенит. Зерна аустенита ниже 727 о С превратились в перлит. То же самое произошло и с аустенитом эвтектики. Поэтому наша эвтектика при комнатной температуре состоит из цементита и эвтектоида.

Рисунок 5. Структура доэвтектического чугуна.

Строение эвтектических (эвтектоидных) зерен, а, следовательно, и эвтектическая структура сплавов, может быть различной. Определяется она природой кристаллизующихся фаз и условиями кристаллизации.
По форме различают полиэдрические, пластинчатые, разветвленные (дендритные) и сферолитные эвтектические зерна. Классический пластинчатый эвтектоид – это перлит, который уже показан на рис. 3 - 5. Пластинчатая эвтектика в ферросплаве показана на рис.6.

Рисунок 6. Эвтектика в сплаве Fe-Ti, излом

Эвтектика дендритного типа показана на рис.1. На рис.7а показано эвтектическое зерно (дендритный тип) в силумине. На рис 7б – кислородная эвтектика Cu-Cu₂O в литой меди (с изолированными включениями одной фазы).

Рисунок 7. Эвтектика в силумине (а) и в литой меди (б).

По морфологии, пожалуй, не скажешь, с чем именно мы имеем дело - с эвтектикой или эвтектоидом. Примеры структуры эвтектоидов приведены на рис. 8 и 9.


а	б

Рисунок 8 . Эвтектоиды в чугуне (а) и в сплаве медь-15% олова (б).


а	б

Рисунок 9 . Фрагмент диаграммы состояния Cu-Be (а) и  -эвтектоид состава CuBe₂ в границах зерна, бронза БрБ2 (б).

3. Превращения, происходящие при нагреве и охлаждении сталей и белых чугунов

Сталь доэвтектоидная. Пусть в этой стали углерода 0,3% (рис. 77).

При нагреве.

До А_с1 (727° С) превращений нет и сталь имеет структуру перлит + + феррит.

При А_с1 (727° С) происходит превращение перлита в аустенит и образуется структура аустенит + феррит.

От А_с1 до А_с3 феррит превращается в аустенит.

При А_с3 сталь имеет структуру аустенита.

От А_с3 до t 1 _с (температуры солидуса) сталь находится в твердом состоянии и имеет структуру аустенита.

При температуре солидуса начинается плавление аустенита.

От температуры солидуса (t 1 _с) до температуры ликвидуса (t 1 _л) имеется аустенит + жидкий сплав.

Выше t 1 _л сталь находится в жидком состоянии.

При охлаждении.

До температуры t 1 _л сталь находится в жидком состоянии.

При t 1 _л начинается кристаллизация аустенита.

От t 1 _л до t 1 _с происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава.

От t 1 _с до А_r₃ сталь имеет структуру аустенита.

От А_r₃ до А_r₁ часть аустенита превращается в феррит и сталь имеет структуру: аустенит + феррит.

При А_r₁ (727° С) происходит превращение аустенита в перлит.

Ниже А_r₁ сталь до полного охлаждения имеет структуру: перлит + феррит

Сталь эвтектоидная с содержанием 0,8% С (см. рис. 77).

При нагреве.

До А_с1 (727°С) превращений нет и сталь имеет перлитную структуру.

При А_с1 происходит превращение перлита в аустенит.

Выше А_с1 до начала плавления сталь имеет аустенитную структуру.

При температуре солидуса (для этой стали ft) начинается плавление аустенита.

От t 2 _c до t 2 _л (температура ликвидуса) происходит плавление и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава.

Выше t 2 _л сталь находится полностью в жидком состоянии.

До t 2 _л сталь находится в жидком состоянии.

При t 2 _л начинается кристаллизация аустенита.

От t 2 _л до t 2 _с происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит

из аустенита и жидкого сплава.

От t 2 _с до А_r₁ (727° С) сталь состоит из аустенита.

При А_r₁ происходит превращение аустенита в перлит.

Ниже А_r₁ сталь имеет структуру перлита (см. рис. 74, б).

Сталь заэвтектоидная. Пусть в этой стали, например, углерода 1,2% (см. рис. 77).

До А_c₁ (727° С) превращений нет и сталь имеет структуру: перлит + цементит вторичный.

При А_c₁ происходит превращение перлита в аустенит.

От А_c₁ до А_cm (критическая точка, лежащая на линии SE) происходит растворение цементита вторичного в аустените.

При А_cm сталь имеет аустенитную структуру.

От А_cm до температуры солидуса t 3 _с, лежащей на линии AE, сталь находится в аустенитном состоянии.

При t 3 _с начинается плавление аустенита.

В интервале от t 3 _с до t 3 _л сталь состоит из аустенита и жидкого сплава.

Выше t 3 _л сталь полностью находится в жидком состоянии.

До t 3 _л сталь находится в жидком состоянии.

При t 3 _л (температура ликвидуса) начинается кристаллизация аустенита.

От t 3 _л до t 3 _с происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из жидкого сплава и аустенита.

При t 3 _с (температура солидуса) сталь полностью затвердевает и структура ее представляет аустенит.

От t 3 _с до линии SE (температура А_cm) структура стали не изменяется.

При А_cm начинается выделение цементита вторичного.

От А_cm до А_r₁ (727° С) происходит выделение цементита вторичного структура стали состоит из аустенита и цементита вторичного.

При А_r₁ (727° С) аустенит превращается в перлит,

и Ниже А_r₁ сталь имеет структуру: перлит + цементит вторичный (см. рис. 74, в).

Превращения в белых чугунах

Доэвтектический белый чугун. Пусть в этом чугуне, например, углерода 3,0% (см. рис. 77).

До А_с1 превращений нет и чугун имеет структуру: ледебурит + перлит + цементит вторичный. При этом сама эвтектика состоит из цементита и перлита.

При А_с1 происходит превращение перлита в аустенит. Это превращение претерпевает как свободный перлит, так и перлит, входящий в эвтектику.

Выше А_с1 чугун состоит из аустенита, цементита вторичного и ледебурита. При этом сама эвтектика состоит из цементита и аустенита.

От А_с1 до t_э (1147°С) происходит растворение цементита вторичного в аустените и аустенит насыщается углеродом до 2,14%.

При t_э плавится ледебурит.

Выше t_э чугун состоит из аустенита и жидкого сплава.

От t_э до t 4 _л плавится аустенит.

Выше t 4 _л чугун находится полностью в жидком состоянии.

До t 4 _л чугун находится в жидком состоянии.

При t 4 _л начинается кристаллизация аустенита.

От t 4 _л до t_э (1147°C) происходит кристаллизация аустенита и при t_э чугун состоит из аустенита с содержанием 2,14% С и жидкого сплава эвтектического состава 4,3% С).

При t_э происходит эвтектическая кристаллизация и образуется ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием 2,14% С.

От t_э (1147°C) до А_r₁ (727°С) из аустенита, как свободного, так и входящего в ледебурит, выделяется цементит вторичный и содержание углерода понижается до 0,8%. Следовательно, в этом интервале вторичного.

При А_r₁ (727°С) происходит превращение аустенита в перлит.

Ниже А_r₁ чугун состоит из ледебурита, перлита и цементита вторичного (см. рис. 75,а).

Эвтектический белый чугун 4,3% С) (см рис. 77).

До А_с1 превращений нет и чугун имеет структуру: ледебурит, состоящий из цементита, перлита и цементита вторичного.

При А_с1 происходит превращение перлита в аустенит. Выше А_с1 чугун имеет структуру: ледебурит, состоящий из цементита, аустенита и цементита вторичного.

От А_с1 до t_э происходит растворение цементита вторичного и аустенит насыщается углеродом до 2,14%.

При t_э чугун полностью расплавляется.

Выше t_э чугун находится полностью в жидком состоянии.

До t_э (1147°С) чугун находится в жидком состоянии.

При t_э (1147°C) чугун полностью затвердевает и образуется структура— ледебурит, состоящий из аустенита, содержащего 2,14% С, и цементита.

От t_э до А_r₁ из аустенита выделяется цементит вторичный и содержание углерода в аустените понижается до 0,8%.

При А_r₁ аустенит превращается в перлит.

Ниже А_r₁ чугун имеет структуру — ледебурит, состоящий из цементита, перлита и цементита вторичного (см. рис. 75,6).

Заэвтектический белый чугун. Пусть в этом чугуне, например 5,0% С (см. рис. 77).

До А_с1 превращений нет и чугун имеет структуру: ледебурит + цементит первичный.

При А_с1 (727°С) перлит, находящийся в эвтектике, превращается в аустенит.

Выше А_с1 чугун имеет структуру: ледебурит и цементит первичный, но сама эвтектика состоит из цементита и аустенита.

От А_с1 до t_э (1147°С) происходит насыщение аустенита углеродом вследствие растворения цементита вторичного и при 1147°С в аустените содержится 2,14%С.

При t_э плавится эвтектика.

Выше t_э чугун состоит из жидкого сплава и цементита"первичного От t_э до t 5 _л происходит плавление цементита первичного.

Выше t 5 _л чугун полностью находится в жидком состоянии.

До t 5 _л чугун находится в жидком состоянии.

При t 5 _л начинается кристаллизация цементита первичного.

От t 5 _л до t_э (1147°C) происходит кристаллизация цементита первичного и чугун состоит из жидкого сплава и цементита первичного.

При t_э чугун состоит из цементита первичного и жидкого сплава эвтектического состава, т. е. содержащего 4,3% С, который, кристаллизуясь при этой температуре, образует ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием 2,14% С.

Ниже t_э превращение претерпевает только ледебурит, а цементит первичный не изменяется. Превращение в ледебурите такое, как описано выше при рассмотрении доэвтектического и эвтектического чугуна, т. е. от t_э до А_r₁ внутри ледебурита выделяется цементит вторичный и чугун состоит из ледебурита и цементита первичного.

При А_r₁ внутри эвтектики аустенит превращается в перлит.

Ниже А_r₁ чугун состоит из ледебурита и цементита первичного (см. рис. 75,в).

3.4. Фазовые превращения в чугунах.

К чугунам относится область диаграммы от 2,14 до 6,67% углерода по массе. Рассмотрим превращение в чугунах, на примере трёх сплавов различного состава.

V сплав – 4,3% углерода.

VI сплав – .

VII сплав – .

Сплав (V) начинает кристаллизоваться в точке C (). При этом из жидкого расплава при постоянной температуре образуются одновременно кристаллы аустенита и цементита. Это есть ни что иное как эвтектическое превращение жидкого расплава в механическую смесь аустенита с цементитом, т.е. ледебурит, идёт по формуле (2). После завершения эвтектического превращения, сплав (V) состоит зёрен ледебурита, представляющую из себя механическую смесь кристаллов аустенита с цементитом. На линии PSK аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит. Поэтому ниже этой линии, вплоть до комнатной температуры, сплав состоит из зёрен ледебурита, который представляет собой уже смесь перлита с цементитом. Сплав, содержащий 4,3% углерода и имеющий структуру ледебурита, называют эвтектическим белым чугуном.

Сплавы типа (VI) относятся к доэвтектическим чугунам. Они начинают кристаллизоваться в точке 15 с выпадением из жидкого расплава кристаллов аустенита. При уменьшении температуры до точки 16 доля кристаллов аустенита нарастает, а количество жидкости уменьшается, при этом жидкость обогащается углеродом. В точке 16 содержание углерода соответствует точке C, т.е. 4,3%. Эта жидкость при указанной температуре превращается в ледебурит посредствам эвтектической реакции (2). После завершения эвтектического превращения, сплав будет состоять из кристаллов аустенита состава точки E и ледебурита. При дальнейшем снижении температуры до точки 17 наблюдается выпадение кристаллов вторичного цементита, по причине снижения растворимости углерода в аустените. В точке 17, т.е. на линии эвтектоидного превращения, аустенит по составу соответствует точке S. Превращается в перлит по средствам эвтектоидной реакции (3). Таким образом, при комнатных температурах этот сплав будет состоять из зёрен перлита, сетки вторичного цементита и зёрен ледебурита, представляющей собой смесь перлита с цементитом.

Сплав (VII) с содержанием углерода от 4,3-6,67% называется заэвтектический белый чугун. Эти чугуны начинают кристаллизоваться с выпадением из жидкого расплава кристаллов цементита, который в данном случае называют первичным. По мере уменьшения температуры доля кристаллов первичного цементита нарастает, а относительное количество жидкой фазы уменьшается. При этом жидкий расплав углеродом обедняется (по причине выпадения из жидкости богатого углеродом цементита) на линии эвтектического превращения ()EF не успевая закристаллизоваться, жидкая фаза будет содержать 4,3% углерода (т.е. по химическому составу будет соответствовать точке C). При указанной температуре эта жидкость превратится в ледебурит, по средствам эвтектической реакции (2). После завершения эвтектического превращения сплав будет состоять из кристаллов первичного цементита и ледебурита, представляющего собой механическую смесь аустенита с цементитом. На линии эвтектоидного превращения PSK () аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит. Таким образом, при температурах нижесплав (VII) состоит из зёрен первичного цементита и ледебурита, представляющего собой механическую смесь перлита с цементитом. При всей сложности структуры сталей и чугунов, фазовый состав этих сплавов один и тот же – это феррит и цементит.

Читайте также: