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

СОДЕРЖАНИЕ: Характерные группы сплавов сталей при кристаллизации, их основные свойства, температуры плавления и кристаллизации. Твердофазные превращения в сталях. Построение кривой охлаждения и изменения микроструктуры при кристаллизации малоуглеродистой стали.

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 (1499С) 0,51% С

H (1499С) 0,1% С

I (1499С) 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 t₂ количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций увеличивается, и немного ниже t₂ начинается процесс кристаллизации. Линия АВ линия насыщения жидкого сплава -Ферритом. Состав жидкости описывается линией ликвидус, а -Ф по линии солидус.

При t₃ жидкая фаза имеет состав т. б , а -Ф состав т. а .

При t₄ кристаллизация заканчивается, ниже этой температуры существует только -Ф, вплоть до температуры t₅ .

Ниже t₅ -Ф пересыщается –Fe (Аустенитом) и происходит его выделение.

При температуре t₆ точка в описывает состав -Феррита, точка г описывает состав Аустенита.

Количественное соотношение фаз:

-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 -Феррита точкой Н :

-Ф_н + Ж_в А_J + -Ф_н (остаточный или избыточный)

При дальнейшем охлаждении ниже t₄ остаточный -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):

-Ф_н + Ж_в А_J (100%),

происходит полное превращение без сохранения избыточных фаз.

Сплав IV

Точки 1, 2, 3 аналогично сплаву IIII.

При температуре т. 4 происходит перитектическое превращение:

-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 -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 t₅ 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 t₃ 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 t₄ (727 С) содержание углерода в аустените достигает 0,81% (точка S).

При t₄ :

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 t₅ 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 (t₃ =727С), Аустенит распадается с образованием эвтектоидной смеси (Ф+Ц):

A_S Ф+Ц