Диаграмма состояний системы железо-углерод

Чистое железо плавится при температуре 1539⁰С. При охлаждении расплава ниже этой температуры, железо затвердевает, формируя кристаллическую решётку объемно-центрированного куба (ОЦК), которая сохраняется до 1392⁰С. В температурной области от 1392⁰C до 919⁰С устойчивой кристаллической формой железа становится гранецентрированная кубическая решётка (ГЦК). При температуре 1392⁰С обе формы кристаллов железа находятся в равновесии и могут присутствовать одновременно. Такая же картина наблюдается и при 911⁰С, устойчивой кристаллической решёткой вновь становится решётка ОЦК.

Переход от одной устойчивой формы кристаллов к другой, как мы уже отмечали ранее, называется полиморфным превращением.

Кристаллические решётки ОЦК и ГЦК железа имеют октаэдрические и тетраэдрические пустоты, в которых могут размещаться растворённые в железе атомы углерода и других элементов внедрения (B, N, H, O).

Исследования показали, что атомы углерода в стали в основном располагаются в октаэдрических порах.

Радиус атома, который может быть размещён в октаэдрической поре решётки ГЦК без её деформирования, составляет ~ 0,41 радиуса атома железа, то есть примерно 0,52×10^{-10 м. Октаэдрические поры в решётке ОЦК имеют размеры равные 0,154 от размеров атомов железа, т.е. не превышают 0,2}×10^{-10 м, в то время как радиус атома углерода равен 0,77}×10^{-10 м. Следовательно, размещение атомов углерода в кристаллических решётках железа сопровождается их деформацией. Поскольку при растворении углерода ГЦК решётка деформируется в существенно меньшей степени, то и растворимость углерода в ГЦК решётке примерно в сто раз выше его растворимости в ОЦК – железе.}

Раствор углерода в ОЦК – железе называют ферритом. Различают α, b и d– ферриты. Области их устойчивости представлены на диаграмме состояний железо-углерод.

Раствор углерода в железе, имеющем ГЦК – решетку, называется аустенитом. Линия предельной растворимости углерода в аустените при различных температурах соответствует линии SE на диаграмме. При 1147⁰С достигается максимальная растворимость углерода в аустените, равная 2,14 %. Минимальная растворимость углерода в аустените наблюдается при температуре 727⁰С и составляет 0,83%. При температуре ниже 727⁰С аустенит неустойчив и о равновесной растворимости в нём углерода говорить не приходится.

Из рассмотрения диаграммы железо-углерод следует, что температуры полиморфных превращений железа заметно смещаются при растворении в нём углерода.

При добавлении других компонентов также имеет место изменение температур превращений. Но следует отметить, что в сплавах полиморфные и фазовые превращения осуществляются в интервале температур, а в чистых металлах – при определенных температурах.

2.2. Классификация сплавов системы Fe–C по структуре

Диаграмма состояний сплавов служит основой классификации сплавов по структуре, а также для выбора режимов термической обработки.

Прежде всего, сплавы рассматриваемой системы подразделяются на стали и чугуны. К сталям относят сплавы, содержащие до 2 % углерода, к чугунам – сплавы, содержащие 2 и более % углерода. Чугуны, содержащие около 4,3 % углерода, называют эвтектическими, от 2-х до 4,3 – доэвтектическими и более 4,3 углерода – заэвтектическими.

Преимущественной структурой эвтектических чугунов является ледебурит, состоящий из смеси кристаллов аустенита и цементита. Цементит не является термически устойчивым соединением и при медленном охлаждении или при длительной выдержке чугунов при высоких температурах распадается на смесь графита и аустенита. Если же аустенит по содержанию углерода приближается к составу, соответствующему точке S диаграммы железо-углерод, а охлаждение в районе температур 750-700⁰С происходит достаточно медленно (10-20⁰С/час), то распад аустенита сопровождается выделением хлопьевидного графита, а не цементита и получается ферритный серый чугун. Если же скорость охлаждения в этом интервале температур велика, то формируется структура ковких перлитных серых чугунов (перлит – смесь феррита и цементита). Название «ковкие» не означает, что эти чугуны куют, а просто означает, что они относительно пластичны, но не выдерживают высоких скоростей нагружения.

Стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. К эвтектоидным относят стали с содержанием углерода 0,83%, основной составляющей которых является перлит, т. е. смесь, содержащая ~ 12 % цементита и ~ 88 % кристаллов феррита.

Доли фазовых и структурных составляющих в сплавах оцениваются экспериментально на основании данных металлографического анализа, а также применением правила отрезков. Так, например, приведённая доля цементита в эвтектоидной стали 12 % определяется соотношением длины отрезка PS (равного 0,807 % С) к длине отрезка РК (равного 6,677 % С). Это соотношение равно 0,121, т.е. @ 12 %.

В доэвтектоидных сталях рассматривается чаще не доли фазовых, а доли структурных составляющих. Так, в стали 45 (с 0,45 % углерода) оцениваются доли перлита и феррита. Доля перлита в этой стали примерно равно отношению (0,45-0,023)/(0,83-0,023), т.е. величине равной 0,53. Это означает, что доля перлита в этой стали составляет примерно 53 %, а доля феррита равна @ 47 %, доля же цементита в этой стали лишь немного превышает 6,7 %.

Как уже отмечалось, структура стали и её свойства зависят от условий её нагрева и охлаждения, называемых термической обработкой.

Существует 4 основных вида термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Отжиг. Под отжигом понимают операцию нагрева, выдержку при определённой температуре и охлаждение. Предназначен он для устранения химической неоднородности в пределах отдельных кристаллов, снятия деформационного и фазового упрочнений, возникающих за счёт объёмных изменений. Выравнивание состава и свойств сталей приводит к уменьшению склонности стали к охрупчиванию.

Для выравнивания химического состава стали используют диффузионный отжиг, когда её нагревают до 1100-1200⁰С и выдерживают 8 – 20час.

Для исключения накопления деформационных дефектов в холоднодеформированных сталях применяют рекристаллизационный отжиг (нагрев до 450-650⁰С, в зависимости от состава стали), выдержку при этих температурах и последующее медленное охлаждение.

Нормализация (к). Это операция состоит в нагреве стали до температур, на 30-50⁰С превышающих линию GOSK диаграммы Fe-C, выдержке до завершения превращения смеси перлита и феррита в аустенит и охлаждении стали на воздухе.

Закалка стали. Эта операция состоит в нагреве стали до температур, на 30-50⁰С превышающих линию GOSK диаграммы Fe-C, выдержке до завершения превращения смеси перлита и феррита в аустенит и охлаждении стали со скоростью выше критической. Критической скоростью охлаждения является такая минимальная скорость охлаждения, при которой аустенитная структура не успевает превратиться в феррито-цементитную смесь. Для простых углеродистых сталей критическая скорость охлаждения составляет 120-200⁰С/сек. Минимальное значение критической скорости наблюдается для эвтектоидных сталей.

Для легированных сталей характерны малые скорости перлитного превращения аустенита. Это позволяет осуществлять закалку легированных сталей в масле и других охлаждающих средах.

Основной структурой, фиксируемой в стали после закалки, является мартенсит. Мартенсит представляет собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в железе, имевшем решётку ОЦК. После закалки кубическая ГЦК решётка превращается в тетрагональную, т.е. в решётке, у которой параметры a и b близки к параметру «a» исходной решётки, а параметр «с» становится большим, чем «а». Объём ячейки возрастает. Степень тетрагональности (с/а) увеличивается с повышением содержания углерода в стали. Не во всех сталях аустенит при закалке полностью превращается в мартенсит. Аустенит, не превратившийся при закалке в мартенсит, называется остаточным.

Полнота мартенситного превращения в сталях может быть повышена обработкой холодом, т.е. дополнительным охлаждением до температур ниже комнатной (напр., охлаждением в жидком азоте при температуре –196⁰С непосредственно после закалки).

После закалки резко возрастает твёрдость сталей, но в ней возникают и внутренние напряжения, увеличивающие склонность к охрупчиванию.

Снятие внутренних напряжений производится путём операции «отпуск» сталей. Отпуск проводится обязательно после закалки.

Отпуск. Целью этого вида термической обработки является не только снятие внутренних напряжений, но и повышение пластических свойств стали. Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

При низком отпуске, чаще применяемом для высокоуглеродистых сталей, после снятия внутренних напряжений несколько повышается вязкость без заметного изменения твёрдости. Температура низкого отпуска – 150-200⁰С для нелегированных сталей, а для легированных она повышается на 50-100⁰С. Длительность низкого отпуска превышает 1,5 часа и возрастает при понижении температуры.

Средний отпуск проводится при температурах 300-500С и длительности около 1 часа. При среднем отпуске проходят сначала процессы, характерные для низкого отпуска, т.е. выделение углерода из мартенсита, а при 250-400⁰С происходит распад остаточного аустенита и образование цементита на границах бывших аустенитных зёрен, снижается концентрация дефектов (дислокаций).

Среднему отпуску чаще подвергают детали с повышенными требованиями к их упругости (рессоры, мембраны, пружины).

Высокий отпуск производится при температурах 500 – 680⁰С и осуществляется за 30 – 45 мин. При этом повышается вязкость и пластичность стали. Высокому отпуску подвергают изделия и из легированных сталей, подвергающиеся ударным нагрузкам. Операция закалки с высоким отпуском называется улучшением стали.

Операция термической обработки сплавов, называемая старением, также обязательно проводится после закалки. Заключается она в том, что при закалке фиксируется пересыщенный твёрдый раствор, но применяется эта операция для сплавов, в которых в отличие от сталей при закалке не происходит полиморфных превращений. Операция старения заключается в нагреве закалённого материала до температур ниже кривой растворимости, определяемой по диаграмме состояния. В процессе выдержки при этих температурах пересыщенный твёрдый раствор (однофазный) распадается на две или большее число метастабильных, или близких к стабильным фазам. В результате таких изменений фазового и структурного состояния значительно повышаются прочностные характеристики сплавов.

Дата добавления: 2015-07-25