Диаграмма состояния состояния сплавов железо цементит

В диаграмме состояния железо – цементит (Fe-Fe3C) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их структурах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной температуры. Диаграмма (рис.18) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% - чугуном.

Диаграмма состояния Fe-Fe3C представлена в упрощенном виде. Первичная кристаллизация, т. е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539° плавления (затвердевания) железа, точка D – температуре ~1600°С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса AECF соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD - цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147°С и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику - ледебурит. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14-4,3% С - аустенита, а в интервале 4,3-6,67% С - цементита первичного (см. рис. 18).

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14%, т. е. в сталях, образуется однофазная структура - аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т. е. в чугунах, при первич ной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

 

Диаграмма состояния железо-цементит

Рис. 18. Диаграмма состояния железо-цементит (в упрощенном виде):

А – аустенит, П – перлит, Л – ледебурит, Ф – феррит, Ц - цементит

 

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и GPQ. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую (? в?) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита.

В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линий GS, и цементита, называемого вторичным, при температурах, соответствующих линии SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделяющегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до температур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре.

В точке S при содержании 0,8% углерода и температуре 727°С весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита - перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной (рис. 19,6). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода, называют доэвтектоидными (рис. 19, а), а от 0,8 до 2,14% углерода - заэвтектоидными (рис. 19, в).

При температурах, соответствующих линии PSK, происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения.

При температурах, соответствующих линии SE, аустенит насыщен углеродом, и при понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного).

Вертикаль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химический состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что существенно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристаллизации из жидкости.

Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 20). Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода - заэвтектическими.

По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит+цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем меньше в нем перлита и больше ледебурита.

Белый эвтектический чугун (4,3% углерода) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, содержащий более 4,3% углерода, после окончательного охлаждения состоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит превращается в перлит, т. е. ледебурит при комнатной температуре представляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости.

Диаграмма состояния железо-цементит имеет большое практическое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов термической обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, чтo необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.

Углеродистые стали

Чугуны

Чугун – сплав железа (Fe>90%) с углеродом (C от 2,14% до 6,67%).
Углерод может содержаться в чугуне в виде графита (С) или цементита (Fe3C).
Также чугун содержит примеси кремния, марганца, фосфора и серы.
Чугуны со специальными свойствами содержат также легирующие элементы – хром, никель, медь, молибден и др.

Чугун – наиболее широко применяемый материал для изготовления литых деталей, используемых при относительно невысоких напряжениях и малых динамических нагрузках. Преимущества чугуна в сравнении со сталью – высокие литейные свойства и небольшая стоимость. Чугуны также лучше обрабатываются резанием, чем большинство сталей (кроме автоматных сталей), но плохо свариваются, обладают меньшей прочностью, жесткостью и пластичностью.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
белый чугун
серый чугун (ГОСТ 1412 - "Чугун с пластинчатым графитом для отливок")
ковкий чугун (ГОСТ 1215 - "Отливки из ковкого чугуна")
высокопрочный чугун (ГОСТ 7293 - "Чугун с шаровидным графитом для отливок")

Белый чугун

В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3C.
У белого чугуна высокая износостойкость и твердость, однако он хрупок и плохо обрабатывается резанием, поэтому в машиностроении они находят ограниченное применение и идут, в основном, в передел на сталь.
По содержанию углерода серый чугун подразделяют на:
Доэвтектический с содержанием углерода от 2,14% до 4,3%
Эвтектический с содержанием углерода 4,3%
Заэвтектический с содержанием углерода от 4,3% до 6,67%.

В сером, ковком, высокопрочном чугунах весь углерод или большая его часть находится в виде графита различной формы (их еще называют графитными).

Серый чугун

В структуре серых чугунов графит пластинчатой формы.
Серые чугуны содержат: 3,2-3,5% углерода, 1,9-2,5% кремния, 0,5-0,8% марганца, 0,1-0,3% фосфора и менее 0,12% серы.
Отливки деталей из серых чугунов получают в кокилях – земляных или металлических формах.
Серый чугун находит широкое применение в машиностроении. Ввиду невысоких механических свойств у отливок из серого чугуна и простоты получения их применяют для изготовления деталей менее ответственного назначения, деталей, работающих при отсутствии ударных нагрузок. В частности из них делают крышки, шкивы, станины станков и прессов.
Пример обозначения серого чугуна: СЧ32-52. Буквы обозначают серый чугун (СЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении (32 кгс/мм2 или 320 МПа), второе число – предел прочности при изгибе.

Ковкий чугун

В структуре ковких чугунов графит хлопьевидной формы.
Ковкие чугуны содержат: 2,4-3,0% углерода, 0,8-1,4% кремния, 0,3-1,0% марганца, менее 0,2% фосфора, не более 0,1% серы.
Ковкий чугун получают из белого чугуна в результате нагрева и длительной выдержки. Эту процедуру называют графитизирующим отжигом или томлением.
Пример обозначения ковкого чугуна: КЧ45-6. Буквы обозначают ковкий чугун (КЧ), первое число - предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2 или 450 МПа), второе – относительное удлинение в % (6%).

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун содержит графит шаровидной формы.
Он имеет наиболее высокие прочностные свойства.
Высокопрочный чугун содержит: 3,2-3,8% углерода, 1,9-2,6% кремния, 0,6-0,8% марганца, до 0,12% фосфора и не более 0,3% серы.
Высокопрочный чугун получают путем модифицирования (т.е. введения добавки-модификатора – магния) жидкого расплава. Модификаторы способствуют образованию графитных включений шаровидной формы, благодаря чему механические свойства такого чугуна приближаются к свойствам угеродистых сталей, а литейные свойства выше (но ниже, чем у серых чугунов).
Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные детали для машиностроения - поршни, цилиндры,

Термическая обработка

ТЕРМИ́ЧЕСКАЯ ОБРАБО́ТКА, технологический способ воздействия на структурное и фазовое состояние материала с помощью различных режимов нагрева и охлаждения, в процессе которых достигается приближение к равновесному состоянию или та или иная степень отклонения от него. Понятие режимов нагрева и охлаждения включает скорость этих процессов, температуру, среду, продолжительность изотермических выдержек. Режимы термической обработки подбирают с учетом фазовых и структурных превращений в материале с целью получения необходимого комплекса свойств.

Термическая обработка может быть предварительной или окончательной.

Предварительную термообработку применяют для подготовки структуры и свойств материала к последующим технологическим операциям (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием). При окончательной термообработке формируются свойства готового изделия.

Термическую обработку применяют на стадии производства различных материалов и изделий, а также для снятия напряжения в них. Основные виды термообработки: отжиг (1-го и 2-го рода) и закалка без полиморфного превращения и с полиморфным превращением. Термическая обработка является основным способом воздействия на свойства металлов и сплавов. Специальные процессы термообработки, такие как возврат, рекристаллизация, полигонизация, старение, отпуск, нормализация, патентированиеразработаны и подробно изучены по отношению к металлам и сплавам.

Если сплав однофазен и не испытывает в твердом состоянии никаких фазовых превращений, то возможные отклонения от равновесия в таких сплавах могут быть связаны с химической неоднородностью твердого раствора или с наличием структурных дефектов, созданных пластической деформацией. Приближение к равновесию в таких случаях реализуется чаще всего за счет диффузионных процессов и достигается с помощью операций отжига I рода, под которым понимают относительно продолжительный высокотемпературный нагрев с последующим, как правило, медленным охлаждением.

Наличие фазовых превращений в сплаве значительно расширяет возможности термической обработки. Отжиг II рода — отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении — проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии. Отжиг II рода проводят с целью получения более равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

Чтобы зафиксировать высокотемпературное фазовое или метастабильное фазовое состояние, промежуточное между высоко- и низкотемпературным, применяют быстрое охлаждение от высоких температур. Такая операция называется закалкой. Закалка проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью повышение твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).

Низкотемпературный нагрев после закалки (старение или отпуск) приближает систему к равновесному состоянию. Благодаря малой диффузионной подвижности атомов при низких температурах процесс легко остановить на промежуточных стадиях, отличающихся разной степенью приближения к равновесию, а следовательно, и свойствами. Отпуск проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей.

Термическая обработка используется как способ воздействия на состав точечных дефектов и структурное совершенство в кристаллах полупроводников и твердых растворах на их основе как с целью изучения свойств материала, так и с целью поиска пути управления ими. Понимание механизмов дефектообразования в кристаллах полупроводников при термообработке очень важно, так как кристаллы полупроводников подвергаются термообработкам в процессе изготовления приборов. При этом, как ансамбль собственных точечных дефектов, так и микродефекты могут претерпевать различные превращения, что в дальнейшем может негативно повлиять на характеристики приборов. При термообработке кристаллов может происходить распад пересыщенного твердого раствора как примесей, так и собственных точечных дефектов, если их концентрация превышает растворимость при температуре термообработки. Может происходить развитие ростовых и образование новых микродефектов или их растворение в результате ухода точечных дефектов или примесей, образующих микродефект, на поверхность кристалла. В результате таких процессов происходит не только структурное превращение в матрице кристалла, но существенным образом изменяются его электрофизические свойства: могут измениться концентрация и подвижность носителей заряда, тип проводимости (термоконверсия), оптические и люминесцентные свойства полупроводников.

Термическая обработка материалов подразделяется на собственно термическую, заключающуюся только в тепловом воздействии на металл, химико-термическую, сочетающую тепловое и химическое воздействия, и термомеханическую, сочетающую тепловое воздействие и пластическую Разновидности термической обработки — обработка стали холодом, электротермическая обработка.

13) ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ

Отжиг. Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.
В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига (рис. 39): 1 - диффузионный; 2 - полный; 3 - изотермический; 4 - неполный; 5 - сфероидизирующий; 6 - рекристаллизационный.

 

Рис. 39. Режимы различных видов отжига

Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) применяют для уменьшения химической неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Слитки (отливки), особенно из легированной стали, имеют неоднородное строение. Неоднородность строения обусловлена карбидной и дендритней ликвациями, так как в местах образования карбидов или в средней части дендритов возникают скопления легирующих элементов. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой температуры, при которой атомы элементов приобретают большую подвижность. Благодаря этому происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентрацией. В результате такой диффузии обеспечивается выравнивание химического состава слитка или отливки по объему.
Для обеспечения необходимой скорости диффузии атомов отжиг стали проводят при высокой температуре (1100-1200°С) с выдержкой 10-20 ч (рис. 39, кривая 1).
Полный отжиг (рис. 39, кривая 2) применяют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Это достигается нагревом стали на 30-50°С выше верхней критической точки Ас₃ и медленным охлаждением.
При нагреве стали выше температуры Ас₃ перлит превращается в аустенит. Это происходит путем образования в начальной стадии мельчайших зародышей кристалликов аустенита и постепенного их роста по мере повышения температуры. При небольшом превышении температуры Ас₃ (на 30-50°С) образовавшиеся кристаллики аустенита остаются еще мелкими. В дальнейшем, при охлаждении ниже температуры Ас₁ образуется однородная мелкозернистая структура ферритно-перлитного типа. При этом в пределах одного аустенитного зерна возникает несколько перлитных зерен, которые значительно мельче, чем аустенитное зерно, из которого они образовались.
Температуру нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграмме состояния (рис. 40), а для легированных сталей - по положению их критической точки Ас₃, имеющейся в справочных таблицах.
Время выдержки при отжиге складывается из времени, необходимого для полного прогрева детали, и времени, нужного для окончания структурных превращений.

 

Рис. 40. Диаграмма состоянии с интервалами нагрева углеродистой стали для отжига, нормализации, закалки и отпуска

Изотермический отжиг заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас₃ (конструкционные стали) и выше точки Ас₁ на 50-100°С (инструментальные стали). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры несколько ниже точки Аг₁ (680-700°С, см. рис. 40). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе. Изотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки небольших по размерам изделий из легированных сталей в 2-3 раза по сравнению с полным отжигом. Для крупных изделий такого выигрыша по времени не получается, так как требуется большое время для выравнивания температуры по объему изделия. Изотермический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием сложнолегированных сталей, например 18Х2НЧВА.
Сфероидизирующий отжиг (рис. 39, кривая 5) обеспечивает превращение пластинчатого перлита в зернистый, сфероидизированный. Это улучшает обрабатывамость сталей резанием. Отжиг на зернистый перлит производят по режиму: нагрев стали немного выше точки Ас₁ с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550-600°С и далее на воздухе. Сфероидизирующий отжиг применяют для сталей, содержащих более 0,65% углерода, например шарикоподшипниковые стали типа ШХ15.
Рекристаллизационный отжиг (рис. 39, кривая 6) применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Наклепом называют упрочнение металла, появляющееся в результате холодной пластической деформации металла.
При холодной прокатке, штамповке, волочении зерна металла деформируются, дробятся. Это повышает твердость металла, снижает его пластичность и вызывает хрупкость. В этом и заключается сущность наклепа.
Рекристаллизационный отжиг выполняют путем нагрева до температуры ниже Ас₁ (650-700°С), выдержки и последующего замедленного охлаждения. При нагреве металла до 650-700°С (рекристаллизационный отжиг) возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичное кристаллизационные процессы (рекристаллизация). На границах деформированных зерен возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформированных зерен вырастают новые равноосные зерна и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура и свойства металла.
Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше верхних критических точек Ас₃ и А_cm, затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией (см. рис. 40). При нормализации уменьшаются внутренние напряжения, происходит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок.
Нормализация стали по сравнению с отжигом является более коротким процессом термической обработки, а, следовательно, и более производительным. Поэтому углеродистые и низколегированные стали подвергают, как правило, не отжигу, а нормализации.
С повышением содержания углерода в. Стали увеличивается различие в свойствах между отожженной и нормализованной сталью. Для сталей, содержащих до 0,2% углерода, предпочтительнее нормализация. Для сталей, содержащих 0,3-0,4% углерода, при нормализации по сравнению с отжигом существенно увеличивается твердость, что необходимо учитывать. Поэтому нормализация не всегда может заменить отжиг.
Сплавы после нормализации приобретают мелкозернистую структуру и несколько большую прочность и твердость, чем при отжиге. Нормализацию применяют для исправления крупнозернистой структуры, улучшения обрабатываемости стали резанием, улучшения структуры перед закалкой. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет сетку вторичного цементита.