Дисциплина Материаловедение и ТКМ, лекция 2.1

– углерод». Превращения в сталях

состояния сплавов.
3. Диаграмма фазового состояния «железо – углерод».
4. Компоненты

и фазы в системе железо-углерод.
5. Структурные превращения в сталях и чугунах.

Горелов, В.С. Горелов, Е.А. Григорьев ; под ред. В.П. Горелова.

- 5-е изд., стер. - Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 2016. - 341 с. : ил., схем., табл. - Библиогр. в кн. - ISBN 978-5-4475-8609-6 ; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=445841. С. 21-40, 45-61, 95-98
Валуев Н.П., Муров В.А., Пушкин И.А. Материаловедение и безопасность материалов. Неметаллические материалы. – Учебник. - Химки: АГЗ МЧС России, 2013 г., 202 с. С.28-37 с.41-54.
Материаловедение и технологии конструкционных материалов : учебное пособие / О.А. Масанский, В.С. Казаков, А.М. Токмин и др. ; Министерство образования и науки Российской Федерации, Сибирский Федеральный университет. - Красноярск : Сибирский федеральный университет, 2015. - 268 с. : табл., граф., ил. - Библиогр. в кн. - ISBN 978-5-7638-3322-5 ; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=435698. С.41-54.

с образованием кристаллов называется процессом кристаллизации
Этот процесс в значительной степени

зависит от температуры. Для его изуче-ния строят экспериментальные зависимости в координатах: время-температура. Такие закономерности, полученные опытным путем, называют кривые охлаждения. Превращения из одного состояния в другое под влияни-ем температуры обусловлен поиском вещества более выгодных энергетиче-ских условий, то есть состояний, при которых вещество обладает меньшим запасом свободной энергии.

Например, тяжелый шарик из положения 1 стремится попасть в более устойчивое положение 2 (см. рисунок 1), так как потенциальная энергия в положении 2 меньше, чем в положении 1.

Рис. 1. Изменение потенциальной энергии стального шарика.

температуры кристаллизации на многих участках жидкого металла.

стадии (процесса), которые протекают, не имея зависимости, друг от друга.

Это процесс образования зародышей и процесс роста кристаллов.
В зависимости от того, какая составляющая процесса кристаллизации идет более интенсивно, возникает та или иная структура. Соответственно и свойства материала, образовавшегося в процессе кристаллизации, в значи-тельной степени зависят от размера и формы кристаллов. Рассмотрим некото-рые конкретные случаи:

фазы в результате затвердевания двух или более элементов, находившихся в

расплавленном состоянии. Составляющие сплава - компоненты. Их минимальное количество равно двум - бинарный сплав.
Фаза - однородная часть материала (системы), имеющая одинаковый состав, агрегатное состояние и отделённая от остальных частей системы поверхностью перехода (границей), при переходе через которую химический состав или структура вещества меняется скачкообразно. Совокупность фаз, находящихся в равновесии при определённых внешних условиях (температура, давление) - система.
Кривая охлаждения - графическая зависимость в координатах: Температура - Время, отражающая изменение температуры вещества при охлаждении; процессу кристаллизации на кривой охлаждения соответствует горизонтальный участок (его начальная и конечная точки соответствуют началу и концу процесса кристаллизации).
Диаграммы состояния (фазовая диаграмма) - графическое изображение со-отношения между параметрами состояния термодинамической равновесной системы (температурой, давлением, компонентами и др.). Позволяет определить количество фаз, образующих систему при данной температуре и концентрации компонентов. Строится (для двухкомпонентной системы) путём проецирования кривых охлаждения на плоскость, образованную в координатах: Температура – Концентрация компонентов

концентрацию двух и более компонентов сплава, при которой твёрдый раствор

имеет наименьшую температуру плавления. Точка пересечения линий солидуса и ликвидуса. В ней происходит практически мгновенная кристаллизация обоих компонентов.
Ликвидус - линия на диаграмме состояния, соответствующая температуре начала кристаллизации сплава. Ниже неё - жидкость.
Солидус - линия на диаграмме состояния, соответствующая температуре окончания кристаллизации сплава. Выше неё - твёрдое вещество.

находится в двух модификациях: низкотемпературная модификация -Fe с ОЦК решеткой

существует до 910 С, выше этой температуры образуется модификация -Fe, которая имеет ОЦК решетку. Углерод образует твердые растворы внедрения на базе полиморфных модификаций железа.

Феррит – твердый раствор углерода в -Fe (от лат. ferrum – железо). Феррит – малопрочная и пластичная фаза, так как представляет собой почти чистое железо, при комнатной температуре растворимость углерода в -Fe не превышает 0,005 %, при температуре 727 °С составляет 0,02 %.

Аустенит (по имени английского ученого Робертс-Аустена) – это высокотемпературная пластичная фаза с невысокой прочностью, представляет собой твердый раствор углерода в ‑Fe с ГЦК решеткой, при температуре 727 °С растворимость углерода в аустените составляет 0,8 %, предельная растворимость углерода в аустените достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. При медленном охлаждении аустенит распадается на перлит.

Цементит – карбид железа Fe3С, фаза с высокой твердостью, но хрупкая. В обычных условиях кристаллизации в двойных сплавах железа с углеродом соединение Fe3C является достаточно стабильным и может существовать без изменений как угодно долгое время. Но, при длительных выдержках в интервале температур 650 – 730 С или при введении графитизирующих добавок, соединение Fe3C распадается с образованием графита и железа.

Перлит – это структура, которая образуется при эвтектоидном превращении аустенита при среднем содержании углерода 0,8 %; обычно перлит состоит из чередующихся тонких пластинок феррита и цементита, обладает средней прочностью и невысокой твердостью (рис. 2). Эвтектоидные колонии зарождаются на границах зерен аустенита, по окончании эвтектоидного распада на месте каждого аустенитного зерна оказывается несколько колоний перлита. Образование перлита – это диффузионный процесс: 0,8 % C в аустените за счет диффузии перераспределяются в соответствии с диаграммой состояния, 0,02 % C находится в феррите и 6,67 % C – в цементите. Полированная и протравленная поверхность шлифа приобретает перламутровый оттенок, поэтому эвтектоидная смесь феррита с цементитом получила название перлит (от лат. pearl – жемчужина).

% углерода При нагреве до Ac1 (727 °С) превращений нет,

и сталь имеет структуру перлит + феррит. При Ас1 (727 °С) происходит превра­щение перлита в аустенит и образуется структура аустенит + фер­рит. От Ас1 до Ас3 феррит превращается в аустенит. При Ас3 сталь имеет структуру аустенита. От Ас3 до tc1 (температуры солидуса) сталь находится в твердом состоянии и имеет структуру аустенита. При температуре солидуса начинается плавление аустенита.

От температуры солидуса tc1 до температуры ликвидуса tл1 име­ется аустенит + жидкий сплав. Выше tл1 сталь находится в жидком состоянии.

При охлаждении до температуры tл1 сталь находится в жидком состоянии. При tл1 начинается кристаллизация аусте­нита. От tл1 до tс1 происходит кристаллизация аустенита, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл1 до Аr3 сталь имеет структуру аустенита. От Аr3 до Аr1 часть аустенита превращается в феррит, и сталь имеет структуру: аустенит + феррит. При Аr1 (727 °С) происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar1 сталь до полного охлаждения имеет структуру: перлит + феррит (см. рис. 30, а).

Сталь эвтектоидная с содержанием 0,8 % углерода При нагреве до Ас1 (727 °С) превращений нет, и сталь имеет перлитную структуру. При Ac1 происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ac1 до начала плавления сталь имеет аустенитную структуру. При температуре солидуса (для этой стали tc2) начинается плавление аустенита. От tc2 до tл2 (температура ликвидуса) проис­ходит плавление, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. Выше tл2 сталь находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до tл2 сталь находится в жидком сос­тоянии. При tл2 начинается кристаллизация аустенита. От tл2 до tс2 происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл2 до Ar1 (727 °С) сталь состоит из аустенита. При Ar1 происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar1 сталь имеет структуру перлита ..

Сталь заэвтектоидная с содержанием 1,2 % углерода При нагреве до Ас1 (727 °С) превращений нет, и сталь имеет структуру: перлит + цементит вторичный. При Ас1 происходит превращение перлита в аустенит. От Ас1 до Аст (критическая точка, лежащая на линии SE) происходит растворение вторичного цемен­тита в аустените. При Аст сталь имеет аустенитную структуру. От Аст до температуры солидуса tс3, лежащей на линии АЕ, сталь находится в аустенитном состоянии. При tс3 начинается плавление аустенита. В интервале от tс3 до tл3 сталь состоит из аустенита и жид­кого сплава. Выше tл3 сталь полностью находится в жидком состоя­нии.

% углерода (рис. 33). При нагреве до Ас1 превращений нет,

и чугун имеет структуру: ледебурит + перлит + вторичный цементит. При этом эвтектика состоит из цементита и перлита. При Ac1 происходит превращение перлита в аустенит. Это превращение претерпевает как свободный перлит, так и перлит, входящий в эвтектику. Выше Ас1 чугун состоит из аустенита, вторичного цементита и ледебу­рита. При этом эвтектика состоит из цементита и аустенита.
От Ac1 до tэ, (1147 °С) происходит растворение вторичного це­ментита в аустените и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %.
При tэ плавится ледебурит. Выше tэ чугун состоит из аустенита и жидкого сплава. От tэ, до tл4 плавится аустенит. Выше tл4 чугун на­ходится полностью в жидком состоянии.
При охлаждении до tл4 чугун находится в жидком сос­тоянии. При tл4 начинается кристаллизация аустенита. От tл4 до tэ (1147° С) происходит кристаллизация аустенита и при tэ чугун состоит из аустенита с содержанием 2,14 % углерода и жидкого сплава эвтектического состава (4,3 % углерода).
При tэ, происходит эвтектическая кристаллизация, и образуется ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием углерода 2,14 %. От tэ (1147 °С) до Аr1 (727 °С) из аустенита как свободного, так и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит, и содержание углерода понижается до 0,8 %. Следовате­льно, в этом интервале температур чугун состоит из ледебурита, аустенита и вторичного цементита. При Аr1 (727 °С) происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Аr1 чугун состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита.
Эвтектический чугун с содержанием 4,3 % углерода. При нагреве до Ас1 превращений нет, и чугун имеет структуру ледебурит, состоящий из цементита, перлита и вторичного цемен­тита. При Ac1 происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ас1 чугун имеет структуру – ледебурит, состоящий из цементита, аустенита и вторичного цементита. От Ас1 до tэ происходит раство­рение вторичного цементита и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %. При tэ чугун полностью расплавляется. Выше tэ чугун на­ходится полностью в жидком состоянии.
При охлаждении до tэ (1147 °С) чугун находится в жид­ком состоянии. При tэ (1147 °С) чугун полностью затвердевает, и образуется структура – ледебурит, состоящий из аустенита, содержащего 2,14 % углерода и цементита. От tэ до Аr1 из аустенита выделяется вторичный цементит, и содержание углерода в аустените понижается до 0,8 %. При Аr1 аустенит превращается в перлит. Ниже Аr1 чугун имеет структуру – ледебурит, состоящий из це­ментита, перлита и вторичного цементита
Заэвтектический чугун с содержанием 5,0 % углерода При нагреве до Ас1 превращений нет, и чугун имеет структуру – ледебурит + первичный цементит. При Ас1 (727 °С) перлит, находящийся в эвтектике, превращается в аустенит. Выше Ас1 чугун имеет структуру – ледебурит и первичный цемен­тит, но эвтектика состоит из цементита и аустенита. От Аc1 до tэ (1147 °С) происходит насыщение аустенита углеродом вследствие растворения вторичного цементита и при 1147 °С в аустените со­держится 2,14 % углерода.
При tэ плавится эвтектика. Выше tэ чугун состоит из жидкого сплава и первичного цементита.

От tэ до tл5 происходит плавление первичного цементита. Выше tл5 чугун полностью находится в жидком состоянии.

При охлаждении до tл5 чугун находится в жидком сос­тоянии. При tл5 начинается кристаллизация первичного цементита. От tл5 до tэ (1147 °С) происходит кристаллизация первичного цемен­Тита, и чугун состоит из жидкого сплава и первичного цементита. При tэ чугун состоит из первичного цементита и жидкого сплава эвтектического состава, т. е. содержащего 4,3 % углерода, который, кристаллизуясь при этой температуре, образует ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием 2,14 % углерода.

Ниже tэ превращение претерпевает только ледебурит, а первич­ный цементит не изменяется. Превращение в ледебурите такое, как описано выше при рассмотрении доэвтектического и эвтекти­ческого чугуна, т. е. от tэ до Аr1 внутри ледебурита выделяется вто­ричный цементит, и чугун состоит из ледебурита и первичного цементита.

При Аr1 внутри эвтектики аустенит превращается в перлит. Ниже Ar1 чугун состоит из ледебурита и первичного цементита .

происходит плавление первичного цементита. Выше tл5 чугун полностью находится в

жидком состоянии.
При охлаждении до tл5 чугун находится в жидком сос­тоянии. При tл5 начинается кристаллизация первичного цементита. От tл5 до tэ (1147 °С) происходит кристаллизация первичного цемен­тита, и чугун состоит из жидкого сплава и первичного цементита. При tэ чугун состоит из первичного цементита и жидкого сплава эвтектического состава, т. е. содержащего 4,3 % углерода, который, кристаллизуясь при этой температуре, образует ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием 2,14 % углерода.
Ниже tэ превращение претерпевает только ледебурит, а первич­ный цементит не изменяется. Превращение в ледебурите такое, как описано выше при рассмотрении доэвтектического и эвтекти­ческого чугуна, т. е. от tэ до Аr1 внутри ледебурита выделяется вто­ричный цементит, и чугун состоит из ледебурита и первичного цементита.
При Аr1 внутри эвтектики аустенит превращается в перлит. Ниже Ar1 чугун состоит из ледебурита и первичного цементита .