Структурные и фазовые превращения в сталях при нагреве и охлаждении. — КиберПедия 

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...

Структурные и фазовые превращения в сталях при нагреве и охлаждении.



Диаграмма «Железо-углерод».

Диаграмма железо- углерод, имеющая техническое применение, включает содержание углерода от 0 до 6,67% (Рисунок )

. Содержание углерода 6,67% соответствует 100%-ной доле химического соединения Fe3C, называемого цементитом. Таким образом, диаграмма железо- углерод представляет часть диаграммы между чистым компонентом А (Fe) и соединением В (Fe3C)

. Сплошные линии соответствуют метастабильной системе Fe- Fe3C, пунктирные линии изображают стабильную систему Fe - C.

В области до 4,3% С различия граничных фазовых линий между метастабильной и стабильной системами незначительны. Однако при длительном температурном воздействии и при более высоком содержании углерода цементит имеет склонность к распаду на железо и графит. Графит и цементит могут, как часто наблюдается у чугуна, появляться рядом друг с другом.

Диаграмма Fe-Fe3C является характерным примером сложной системы, содержащей три превращения:

1. Перетектическое превращение с перитектической точкой при 0,16%С и 1493оС (точка J), в результате чего из расплава и первично выделенного -твердого раствора (ОЦК) образуется ---твердый раствор (ГЦК) по реакции:.

2. Эвтектическая реакция между расплавом, g-твердым раствором и Fe3C при 4,3% С и 1147оС по реакции (точка С).. Эвтектическая горизонталь простирается от 2,14 до 6,67% С, соответственно от 31 до 100% Fe3C. Это означает, что при содержании С<2,14% из расплава выделяется гомогенный -твердый раствор, максимальная растворимость С от 2,14% при 1147оС уменьшается до 0,8% при 723оС.С максимальной растворимостью углерода в g-твердом растворе при 2% связываются границы для стали (<2,14%) и чугуна (>2,14%).

3. Эвтектоидное превращение - твердого раствора (аустенит) в при 0,8%С и 723оС по реакции (точка S).

Диаграмма состояния железо-углерод

При содержании С>2,14% наряду с первично выделенным - твердым раствором остаточный расплав превращается в эвтектику , которая при 4,3%С образуется как чистая эвтектика и называется также ледебуритом.

На диаграмме Fe- Fe3C левее точки Е’находятся стали, правее - чугуны. Как видно из диаграммы, стали не испытывают эвтектического превращения. При температурах ниже 723оС все стали (в отожженном состоянии) состоят из двух фаз - ферритаи цементита.Феррит-это твердый раствор углерода в a-Feс ОЦК решеткой. Максимальная растворимость углерода в a-Fe составляет около 0,025% (точка Р) Цементит - это карбид железа Fe3C, содержащий 6,7%С.

Микроструктура сталей

По микроструктуре в отожженном состоянии различают:



а) техническое железо, не испытывающее эвтектоидное превращение (до 0,025%С);

б) доэвтектоидные стали (от 0,025 до 0,8%С);

в) эвтектоидные стали (0,8 %С);

г) заэвтектоидные стали (от 0,8 до 2,14%С).

В отожженном техническом железе микроструктура состоит либо только из равноосных зерен феррита (до 0,006%С), либо из равноосных зерен феррита с пограничными выделениями третичного цементита. Третичный цементит образуется по границам зерен феррита вследствие уменьшения растворимости углерода в феррите при понижении температуры, и образует разорванную сетку, т.к. количество его невелико.

В отожженных доэвтектоидных сталях две структурные составляющие: избыточный феррит, образующийся в результате полиморфного превращения g ® a, и эвтектоид - перлит, который возникает при эвтектоидном превращении: g08®a0.025+Fe3C. Избыточный феррит при большом его количестве выделяется в виде равноосных зерен (рисунок 22), при малом количестве - в виде сетки по границам зерен аустенита (рисунок 23).

Перлит имеет характерное пластинчатое строение и состоит из отдельных зерен - колоний (рисунок 24). Количественное соотношение феррита и цементита в перлите не зависит от состава стали.

В отожженных заэвтектоидных сталях структурные составляющие - перлит и цементит вторичный. Последний выделяется из аустенита перед эвтектоидной реакцией из-за уменьшения растворимости углерода при понижении температуры. Вторичный цементит выделяется по границам зерен аустенита, образуя сетку (рисунок 25), заполненную колониями перлита, которые образуются из аустенита при эвтектоидном превращении.

Таким образом, по микроструктуре можно качественно отличить стали с разным содержанием углерода. В таблице 1 приведены данные о фазовых и структурных составляющих сталей.

Таблица 1 - Фазовое состояние и микроструктура отожженных углеродистых сталей

Техническое название сплава % С (по массе) Фазы при 20оС Структурные составляющие при 20оС
Техническое железо 0 - 0,006 0,006-0,025 a , Fe3C Феррит (Ф) Ф+ЦIII
Доэвтектоидная сталь 0,025 - 0,8 a , Fe3C Перлит+ФИЗБ
Эвтектоидная сталь 0,8 a , Fe3C Перлит
Заэвтектоидная сталь 0,8 - 2,14 a , Fe3C Перлит + ЦII

Фазы углеродистой стали сильно отличаются механическими свойствами: феррит мягок и пластичен, цементит тверд и хрупок. Ясно, что механические свойства стали зависят от свойств фаз, однако существенное влияние оказывает и микроструктура. Свойства отдельных фаз и перлита можно сравнить в таблице 2. Эвтектоидные и заэвтектоидные стали со структурой перлита или перлита с вторичным цементитом обладают повышенной твердостью. Если же сталь подвергнуть специальному отжигу (сфероидизирующий отжиг), выделения вторичного цементита и цементит эвтектоида принимают глобулярную форму (см. рисунок 26), а твердость снижается.



 

Рисунок 21 - Схема микроструктуры технического железа: феррит и третичный цементит по границам зерен Рисунок 22 - Схема микроструктуры доэвтектоидной стали: зерна избыточного феррита и перлит Рисунок 23 - Схема микроструктуры перлита
Рисунок 24 - Схема микроструктуры доэвтектоидной стали: сетка избыточного феррита и перлит Рисунок 25 - Схема микроструктуры заэвтектоидной стали: сетка вторичного цементита и перлит Рисунок 26 - Схема микроструктуры заэвтектоидной стали: феррит и зернистый цементит

Таблица 2 - Механические свойства структурных составляющих в углеродистых сталях

Структура (фаза) Механические свойства
  Твердость НВ, МПа s В, МПа d ,%
Феррит Цементит Перлит Феррит и зернистый цементит (0,8%С) 800 - 900 7500 - 8200 1900 - 2300 1600 - 1900 190 - 250 830 - 900 650 - 700 40-50 <1 9-12 18-25

Строение зоны термического влияния (ЗТВ).

Рассмотрим схему зоны термического влияния в сварных соединениях в соответствии с диаграммой состояния и максимальной температурой нагрева, достигаемой в отдельных точках. Протяженность отдельных участков возрастает с уменьшением градиента распределения максимальных температур нагрева.

Рис.

Участок 1 – металл шва

Участки 2, 3, 4, прилежащие к линии сплавления, образуются в сварных соединениях сталей, претерпевающих перитектическую реакцию, что характерно для низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,5%. Для данных участков характерно образование высокотемпературной химической неоднородности, следствием которой может служить снижение технологических и служебных свойств сварных соединений. Одним из существенных факторов, способствующим высокотемпературной химической неоднородностит, является процесс превращении α→ δ при нагреве до 1400оС.

Участок 5. характеризуется крупнозернистой структурой в результате перегрева аустенитных зерен. В низкоуглеродистых и низколегированных сталях при замедленной последующем охлаждении образуется перлитно-ферритная структура пластинчатого типа.

Участок 6. участок нормализации с температурой нагрева в интервале Т рекрист – Ас3 . Для этого участка характерна относительно мелкозернистая структура аустенита с повышенной неоднородностью по содержанию углерода и легирующих элементов.

Участок 7. Участок неполной рекристаллизации с максимальной температурой нагрева в интервале Ас3-Ас1, структура стали – аустенитно-ферритная с наличием карбидов. Аустенит характеризуется наибольшей неоднородностью по углероду и элементам замещения. При умеренных скоростях охлаждения из межкритического интервала температур более углеродистая част аустенита превращается по мартенситному механизму, а менее углеродистая – по диффузионному.

Участок 8 – участок отпуска, в котором металл нагревается до температуры Ас1 600оС. Здесь наиболее активно происходят процессы разделения феррита и цементита, коагуляции карбидов.

Следует отметить, что во всех участках ЗТВ процессы структурно-фазовых превращений, и, следовательно, формирования механических свойств сварного соединения в значительной степени зависят от параметров термических циклов сварки и термообработки, химического состава и исходного структурного состояния сталей.

Фазовые превращения в стали при нагреве и охлаждении.

Нагрев стали сопровождается образованием аустенита, а основное превращение – это превращение перлита в аустенит, так как в структуре всех сталей в исходном состоянии присутствует перлит. Превращение идет по реакции Ф+Ц → А.

В доэвтектоидных сталях после исчезновения перлита при нагреве от температуры Ас3 до Ас1 избыточный феррит превращается в аустенит. В заэвтектоидных сталях в этом интервале температур избыточный цементит растворяется в аустените. Выше температур Ас3 идут только процессы гомогенизации и роста зерна аустенита. Рост зерна – самопроизвольно протекающий процесс, так как при этом уменьшается суммарная поверхность зерен (уменьшается поверхностная энергия). От размера зерна аустенита зависят механические свойства стали, особенно понижается ударная вязкость и пластичность.

При охлаждении аустенит не сохраняется, а претерпевает превращения. При этом в зависимости от скорости охлаждения могут протекать два превращения: аустенита в феррито-карбидную смесь (ФКС) или аустенита в мартенсит. Чем больше скорость охлаждения, тем дисперснее структура ФКС. Если при охлаждении подавляется диффузионная подвижность атомов, то происходит мартенситное превращение. Такое влияние скорости охлаждении связано с тем, что с увеличением скорости охлаждения аустенит может переохлаждаться до более низких температур. Чем больше скорость переохлаждения, тем больше степень переохлаждения, меньше диффузионная подвижность атомов железа и углерода и ниже действительная температура превращения аустенита. Таким образом, важнейшим фактором, влияющим на механизм и кинетику превращения аустенита при непрерывном охлаждении, а также на строение и свойства получающихся продуктов превращения, является степень переохлаждения аустенита.

Аналогичная зависимость характерна при изотермическом охлаждении. Каждой действительной температуре изотермической выдержки соответствует определенное время начала и конца превращения. Диаграммы изотермического превращения аустенита для всех сталей приведены в справочниках и с их помощью можно прогнозировать структуру и твердость после конкретного режима охлаждения.

 

Изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (показать структуры и скорости охлаждения).

ФКС в зависимости от температуры нагрева и времени изотермической выдержки имеет следующую структуру:

Перлит (межпластинчатое расстояние 0,5-0,7 мкм);

Сорбит (межпластинчатое расстояние 0,3-0,4 мкм);

Тростит (межпластинчатое расстояние 0,1-0,2 мкм).

Мартенсит имеет пластинчатую или реечную форму. Промежуточным продуктом может быть бейнит – смесь феррита и дисперсных карбидов, которые можно различить только в электронном микроскопе.






Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...

Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства...



© cyberpedia.su 2017 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав

0.007 с.