Диаграмма состояния «Железо-углерод»

Разобрать процесс кристаллизации сплава с содержанием углерода 0.33%, письменно отразить характерные стадии процесса и схематично изобразить структуру сплава при комнатной температуре. Охарактеризовать структурные составляющие.

Рисунок 2 – Кривые охлаждения при кристаллизации

Рассмотрим кристаллизацию сплава 1, относящегося к доэвтектоидной стали, с содержанием углерода 0,33% (Рис.2,а).

Кристаллизация этого сплава начинается в точке t₁ выделением из жидкости кристаллов феррита. При температуре 1499⁰С в сплаве происходит перитектическая реакция, при которой выделившийся ранее феррит взаимодействует с жидкостью, в результате образуется новая фаза – аустенит. В соответствии с правилом фаз эта реакция идет при постоянной температуре и поэтому на кривой охлаждения появляется температурная остановка. После исчезновения феррита происходит дальнейшая кристаллизация жидкости в аустенит. В т t₂ кристаллизация заканчивается и до т. t₃ происходит охлаждение аустенита. 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 данном сплаве в интервале температур t₃–727°C идет полиморфное превращение А ® Ф. На стыках и границах зерен аустенита возникают зародыши феррита, которые растут и развиваются за счет атомов аустенитной фазы. 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. При содержании углерода 0.33% в стали будет 40% перлита и 60% феррита.

Рисунок 3 – Структура стали с содержанием 0.33% С

1.3.2 Контрольные вопросы

1.  Как называется структура, представляющая собой твердый раствор углеродав α - железе? Феррит.

2. Как называется структура, представляющая собой твердый раствор углерода в γ - железе? Аустенит.

3. Как называется структура, представляющая собой карбид железа - Fe3C? Цементит.

4. Как называется структура, представляющая собой механическую смесь феррита и цементита? Перлит.

5. Как называется структура, представляющая собой механическую смесь

аустенита и цементита? Ледебурит.

6. Как с увеличением концентрации углерода изменяется структура сталей?

С увеличением содержания углерода в стали (как уже было сказано) возрастает количество фаз, имеющих более высокую твердость (перлит, цементит). Следовательно, и изменяются механические свойства: возрастает твердость, предел прочности, текучести, уменьшается относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.

7. Как влияет увеличение концентрации углерода на твердость сталей? Твердость повышается.

8. На какой линии диаграммы железо – цементит протекает эвтектоидная реакция? Линия PSK.

9. На какой линии диаграммы железо – цементит протекает эвтектическая реакция? Линия ECF.

Список литературы

1. Адаскин, А.М. Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов: Учебник / А.М. Адаскин, А.Н. Красновский. - М.: Форум, 2018. - 592 c.;

2. Белякова А.Ф., Чумичкин А.А. Материаловедение. Учебное пособие. 2-е издание. М. - Ижевск, 2005г. 144 с.;

3. Волков, Г.М. Материаловедение: Учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования / Г.М. Волков, В.М. Зуев.. - М.: ИЦ Академия, 2012. - 448 c.;