Лекційне заняття за темою: "Класифікація сталей і чавунів за діаграмою Fe-C, фазові перетворення в них"

Лекція №2

Тема: класифікація сталей і чавунів за діаграмою,  фазові перетворення в них.

Мета: навчитися класифікувати залізовуглецеві сплави у залежності від вмісту вуглецю та критичних температур, які застосовуються для даної групи сплавів.

План лекції: класифікація сталей: доевтектоїдні, евтектоїдні, заевтектоїдні;     

чавуни: евтектичні, доевтектичні, заевтектичні; мікроструктури сталей та чавунів у залежності від вмісту вуглецю, аналіз охолодження залізовуглецевих сплавів та фазові перетворення у твердому стані.

Як вже відмічалося, залізовуглецеві сплави поділяються на сталі та чавуни, які, в свою чергу, поділяються на групи в залежності від вмісту вуглецю і структури.

Сталі поділяються на такі групи:

•                доевтектоїдні(0,02 %<С<0,8 %), тобто ці сталі містять вуглецю менше евтектоїдного (0,8 %) складу; структура їх складається зі світлих зерен фериту і темних перліту (Ф +П)(рисунок2,а):

•                евтектоїдна(С = 0,8 %), має структуру з пер літних зерен

(П)(рисунок2, б);

•                заевтектоїдні (0,8 %<С<2,14 %), ці сталі містять вуглецю більше евтектоїдного складу; їх структура складається з темних зерен перліту, по границях яких є виділення цементиту вторинного (П +

Ц_ІІ)які можуть бути у вигляді суцільної сітки (рисунок2, в).[2]

. _.а               б                                             в

Рисунок 2 -Мікроструктура доевтектоїдної(а),евтектоїдної(б)і 

заевтектоїдної (в)сталей

Чавуни, в        яких кристалізується   цементит,   тобто          чавуни метастабільної діаграми, називають білими і вони поділяються на такі групи:

•                доевтектичні(2,14 %<С<4,3 %), структура яких складається з перліту, ледебуриту і вторинного цементиту (П + Л+ Ц_ІІ)(рисунок3, а);

•                евтектичний (С = 4,3 %), структура складається з ледебуриту

(Л)(рисунок 3, б);

•                заевтектичні (4,3 %<С<6,67 %), структура їх складається з

ледебуриту і цементиту (Л+Ц) (рисунок3,в).

                                     а                                        б                                                            в

Рисунок 3 -Мікроструктура доевтектичного(а),евтектичного (б), 

заевтектичного (в)чавунів

Для розгляду фазових перетворень згідно діаграми залізоцементит, як і будь-якої іншої діаграми, необхідно провести фігуративну лінію сплаву, перетворення в якому розглядаються. Точки пересічення цієї лінії з лініями діаграми є критичнимиточками, вони позначують критичні для цього сплаву температури, тобто такі, при яких починається або закінчується якесь фазове перетворення.

Кристалізаціявсіх залізовуглецевих сплавів проходить при температурах, які знаходяться між лініями ліквідусу АВСD і солідусу АHJECF

Кристалізація білихчавунівзалежить від їх хімічного складу.

В заевтектичнихчавунах (4,3 %<С<6,67 %) в інтервалі температур між лініями СD і СF кристалізується цементит, який називають первинним (Ц_І), тому що він кристалізується з рідкої фази. Кристалізується він у вигляді досить великих пластин (рисунок3, в).

В доевтектичнихчавунах (2,14 %<С<4,3 %) в інтервалі температур між лініями ВС і ЕС кристалізується аустеніт у вигляді дендритів.

Але в чавунах не вся рідина встигає закристалізуватися в названі тверді фази при її охолодженні до температури 1147 °С. Ці залишки рідини в усіх чавунах перетворюються на ледебурит, тобто зазнають евтектичногоперетворення. В чавуні евтектичного складу (С= 4,3 %)

вся рідина при 1147 °С теж кристалізується вледебурит.

Сталіз вмістом вуглецю >0,5 % кристалізуються з утворенням аустеніту. В сталях з меншим вмістом вуглецю спочатку кристалізується 5-ферит, але оскільки подальші фазові перетворення в цих сталях призводять до формування при температурах нижче лінії NJEаустенітної фази, то ці перетворення докладно не

розглядатимуться, і умовно приймемо, що всі сталі кристалізуються з утворенням аустеніту.

Подальше охолодження залізовуглецевих сплавів може призвести до таких фазових перетворень у твердомустані.

Доевтектоїдні сталі (0,02 %<С<0,8 %) при температурах нижче лінії GS зазнають поліморфногоперетворення аустеніту на ферит - γFеперетворюється на α-Fе, тобто в зернах з решіткою ГЦК зароджуються і ростуть нові зерна з решіткою ОЦК (при цьому слід пам'ятати, що в обох решітках розчинені атоми вуглецю). В процесі охолодження склад аустеніту змінюватиметься по лінії GS, а фериту - по лініїGР.Але це поліморфне перетворення не встигає завершитися

при охолодженні до 727 °С. Залишок аустеніту при 727 °С перетворюється на перліт (Ф+Ц)₉тобто зазнає перлітногоперетворення.

Аустеніт повністю перетворюється на ферит тільки в сплавах з

С<0,02%, які звуться технічним залізом (розташовані на діаграмі лівіше концентрації, відповідній точці Р).

В заевтектоїдних сталях (0,8 %<С<2,14 %) при їх охолодженні до температур нижче лінії ЕS починає виділятися з аустеніту цементит, який називають вторинним(Ц_ІІ).Виділяється він внаслідок зниження розчинності вуглецю в аустеніті зі зниженням температури відповідно лінії ЕS. Цементит, як високовуглецева фаза, забирає на себе ту частку вуглецю, яку не в змозі розчинити в собі аустеніт. Виділяється вторинний цементит у вигляді малих включень по границях аустенітних зерен.

Таким чином при охолодженні заевтектоїдних сталей вміст вуглецю в аустеніті знижується по лінії ЕS і при 727 °С набуває значення евтектоїдного складу 0,8 % С. Цей аустеніт з 0,8 % С, також як і в доевтектоїдних сталях, при 727 °С перетворюється на перліт.

Аустеніт евтектоїдної сталі (С = 0,8 %) не зазнає фазових перетворень аж до температури 727 °С, при якій він теж перетворюється на перліт.

В усіх чавунах подальше охолодження в інтервалі температур 1147...727°С теж призводить до зниження розчинності вуглецю в аустеніті з 2,14 % до 0,8 %, внаслідок чого, як і в заевтектоїдних сталях, йде виділення з нього вторинного цементиту. Це перетворення йде як в аустеніті, що входить до складу ледебуриту всіх чавунів, так і в первинному аустеніті доевтектичних чавунів. Але в чавунах цей цементит нашаровується на вже існуючі цементитні включення і структурно не виявляються.

Охолодження як сталей, так і чавунів в інтервалі від 727°С до кімнатної температури призводить до зниження розчинності вуглецю в фериті по лінії РQз 0,02 % до 0,006 %, внаслідок чого з фериту виділяється так званий третинний цементит, який нашаровується на вже існуючі цементитні включення і структурно не виявляється. Це фазове перетворення практично не впливає на структуру і властивості залізовуглецевих сплавів.

Контрольні запитання

1.     Як класифікуються сталі і чавуни згідно з діаграмою залізоцементит?

2.     Користуючись діаграмою стану з рисунку1,поясніть, які фазові перетворення відбуваються в чавунах при їх охолодженні з рідкого стану?

3.     Що таке первиннийі вториннийцементит?

4.     Поясніть, чому перліт містить 0,8 % Сяк в доевтектоїдних,так і в заевтектоїднихсталях.

5.     Поясніть, чому ледебурит містить 4,3 % Сяк в доевтектичних,

так і в заевтектичнихчавунах.