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(1499ºС) ─ 0,51% С
H(1499ºС) ─ 0,1% С
I(1499ºС) ─ 0,16% С
Пять групп сталей при кристаллизации:
Iгр. – от 0 до 0,1%С (до т.H)
IIгр.– от 0,1 до 0,16%С (от т.Hдо т.J)
IIIгр.– 0,16%C(т. J)
IVгр.– от 0,16 до 0,51%С (от т. Jдо т. В)
Vгр.– 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 t2начинается процесс кристаллизации. Линия АВ ─ линия насыщения жидкого сплава δ-Ферритом. Состав жидкости описывается линией ликвидус, а δ-Ф по линии солидус.
При t3жидкая фаза имеет состав т. б, а δ-Ф ─ состав т. а.
При t4кристаллизация заканчивается, ниже этой температуры существует только δ-Ф, вплоть до температуры t5.
Ниже t5δ-Ф пересыщается />–Fe(Аустенитом) и происходит его выделение.
При температуре t6─ точка вописывает состав ─ δ-Феррита, точка г─ описывает состав Аустенита.
Количественное соотношение фаз:
δ-Фв= />
Аг=/>
Ниже точки 7 существует только аустенит.
Сплав II
Точка 1, 2, 3 ─ аналогично сплаву l.
При температуре t4,соответствующей перитектическому равновесию, состав жидкой фазы определяется точкой В, а состав δ-Феррита точкой Н:
δ-Фн+ Жв/>АJ+ δ-Фн (остаточный или избыточный)
При дальнейшем охлаждении ниже t4остаточный δ-Фост.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):
δ-Фн+ Жв/>АJ(100%),--PAGE_BREAK--
происходит полное превращение без сохранения избыточных фаз.
Сплав IV
Точки 1, 2, 3 ─ аналогично сплаву I─III.
При температуре т. 4 происходит перитектическое превращение:
δ-Фн+ Жв/>АJ+ Жост.
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 δ-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 Feс С содержащие от 0 до 0,025% С ─ технически чистое железо.
Сплавы Feс С ─ от 0,025 до 0,81% С ─ доэвтектоидные стали.
Сплавы Feс С ─ 0,81% С ─ эвтектоидная сталь.
Сплавы Feс 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:
Аа =/>,
Фб =/>,
(при расчете в домашнем задании 3аи 3бнеобходимо измерять линейкой, а затем рассчитывать).
С охлаждением сплава количество феррита (Ф) увеличивается (состав изменяется от бдо 4), а аустенита (от адо г).
В точке 4 превращение А />заканчивается. При t5существует только феррит. Линия PQ─ линия изменения растворимости С в Феррите.
При охлаждении ниже PQферрит пересыщается углеродом, в результате чего происходит выделение избыточного углерода в виде цементита третичного.
/>/>
Рисунок 4. Микроструктура технически чистого железа
При комнатной температуре:
ЦIII= />(maxЦIII=0,29%)
ФQ=/>
(ЦIII─ более 0,17% С не брать.)
Сплав II(доэвтектоидная сталь ─ 0,3% С)
Точки 1 и 2 аналогично сплаву I. При t3размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций становится критическим и появляется возможность перекристаллизации А в Ф.
Количественное соотношение фаз:
Аy=/>,
ФZ= />. продолжение
--PAGE_BREAK--
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(727ºС) содержание углерода в аустените достигает 0,81% (точка S).
При t4:
Фр=/>,
Аs= />.
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:
/>Аs/>Фр + Ц ─ эвтектоид,
перлит
т.е. перлита будет столько же, сколько аустенита до превращения – П=АS=35%.
Т.о., структура стали после охлаждения будет: Фри Перлит (Ф и Ц).
/>/>
Рисунок 5. Микроструктура доэвтектоидной стали
Сплавы Feс 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 t5для сплава с 0,3% С.
т.Q= 0,006% С.
т.L= 6,67% С.
Канода QL─ 100%:
ФQ= />,
ЦL=/>.
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 =727ºС), Аустенит распадается с образованием эвтектоидной смеси (Ф+Ц):
/>AS/>Ф+Ц
перлит
Т.о., сплав IIIбудет иметь одну структурную составляющую ─ Перлит.
/>
Рисунок 6. Микроструктура эвтектоидной стали
Определим при температуре t4количественное соотношение фазовых составляющих:
ФQ= />,
ЦL=/>.
Это постоянное соотношение Ф и Ц в перлите, отсюда и соотношение толщин пластинок />раза. (Запомнить!)
Сплав IV(1,4% С ─ заэвтектоидный сплав)
При t1имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций. продолжение
--PAGE_BREAK--
При t2размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций цементита увеличивается.
При охлаждении до t3размер фазовых и концентрационных флуктуаций становится критическим и происходит выделение Ц из аустенита.
При t3:
Aq= />,
ЦIIp=/>.
Состав аустенита при охлаждении меняется по линии qS, а цементит имеет постоянный состав т. К.
Температура t4 ─ соответствует линии эвтектоидного равновесия.
Перед t4:
Аs= />.
Данный аустенит, имеющий состав точки Sпри дальнейшем охлаждении превратится в перлит (727С):
AS/>П(Ф+Ц), т.е. AS= П= 89,9%.
ЦII=/>.
При t5количественное соотношение фаз составит:
ФQ= />,
ЦL=/>.
/>
Рисунок 7. Микроструктура заэвтектоидной стали
3. Построение кривой охлаждения
/>
Рисунок 8. Кривая охлаждения малоуглеродистой стали
1–2 2–3 3–4
/>/>/>
/>/>/>
4–5 5–6 6–7
Рисунок 9. Схема изменения микроструктуры малоуглеродистой стали в процессе кристаллизации и твердофазных превращений
Литература
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.
2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.
3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.