Тема 2.4 Диаграмма состояния железоуглеродистых сталей
Углерод–элемент, содержание которого определяет структуру и свойства сплавов. Структурные составляющие сплавов: феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит, их характеристика и свойства. Диаграмма состояния железо–цементит (в упрощенном виде), ее практическое значение. Интерпретация диаграммы: критические точки, линии, области и их значение
Превращения, протекающие в сплавах железо–цементит при медленном охлаждении. Процессы, протекающие при вторичной кристаллизации сплавов
Деление железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны
Доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали; их структура. Структура доэвтектических, эвтектических и заэвтектических чугунов
Литература: [2, c. 78-86]; [3, c. 75-87]; [4, c. 55-61]
Методические рекомендации
Начинать изучение диаграммы железо–цементит можно только после того, как разобраны простые (двойные) диаграммы состояния. Повторите аллотропические превращения железа. Эта диаграмма должны быть хорошо усвоена, так как иначе невозможно понять сущность и различные виды термической обработки. Разберите все превращения, протекающие в железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении, и получающиеся при этом структуры, особенно превращения в твердом состоянии. В конспекте прежде всего вычертите диаграмму состояния железо–цементит, укажите структуры во всех областях, разберите и запишите, чем характерны все критические точки и линии диаграммы, их температуры и содержание углерода. Запомните, что в результате вторичной кристаллизации по линии GS при охлаждении начинается превращение аустенита в феррит вследствие аллотропического превращение γ-железа в α-железо. Так как в феррите максимально растворяется 0,04% углерода (точка Р), то в аустените количество углерода все время увеличивается. Каждая точка линии GS показывает содержание углерода в аустените при данной температуре. Критические точки, образующие линию GS, принято обозначать при нагреве АС3 , а при охлаждении–Аr3. По линии ЕS при охлаждении из аустенита начинает выделяться вторичный цементит вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените при понижении температуры. Цементит содержит 6,67% углерода, поэтому в остающемся аустените количество углерода уменьшается. Каждая точка линии ЕS показывает содержание углерода в аустените при данной температуре (правило отрезков). Критические точки, образующие линию ЕS, принято обозначать АСт. По линии РSК происходит окончательный распад аустенита на перлит во всех сплавах системы. Из аустенита образуется мелкая механическая смесь–эвтектоид, так как в равновесном состоянии γ-железо при температуре ниже 727ОС существовать не может, а γ -железо практически углерод не растворяет (точка Р). При температуре 727ОС во всех сплавах содержится в аустените 0,83%С (точка S, куда сходятся линии GS и ЕS), значит состав перлита также постоянен и содержит 0,83% углерода. Критические точки, образующие линию РSК, при нагреве обозначают АС1 , а при охлаждении Аr1.
Отметьте в конспекте, что температура, при которой из аустенита начинает выделяться феррит или цементит (линии GS и ЕS), зависит от состава сплава, а превращение аустените в перлит происходит во всех сплавах при одной и той же температуре (727ОС).
Нужно знать, что в простых углеродистых сплавах в равновесном состоянии при температуре ниже 727 ОС аустенит существовать не может, он распадается на перлит (эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного). Запомните разницу между эвтектикой и эвтектоидом: и то и другое–мелкая механическая смесь, но эвтектика–продукт первичной кристаллизации, она получается при одновременной кристаллизации двух или нескольких фаз из жидкого раствора, а эвтектоид–продукт вторичной кристаллизации, он образуется при распаде твердого раствора. И эвтектика и эвтектоид образуются в том случае, если вещества друг в друге не растворяются в твердом состоянии. Хорошо разберитесь в процессах, протекающих при нагревании и охлаждении сплавов с различной концентрацией углерода. Особое внимание обратите на критические точки, в которых происходит вторичная кристаллизация, и на получающиеся структуры.
Изучая часть диаграммы с образованием чугуна, запомните, что ледебурит является характерным признаком белых чугунов. Повторите из темы 1.1, какие чугуны называются белыми, а какие – серыми. Содержание углерода может быть одинаковым и у белых и у серых чугунов; отличаются они состоянием углерода. В серых чугунах углерод имеет форму пластинок. Металлическая основа может быть перлитной и ферритной.
Отвечая на вопросы контрольной работы по диаграмме железо–углерод, вычертите полностью диаграмму и укажите структуры во всех областях. Проведите вертикаль, отвечающую заданному сплаву. Рядом с диаграммой вычертите кривую охлаждения данного сплава, укажите на ней температуры, соответствующие каждой критической точке. Опишите структурные превращения в каждой критической точке. Описывать нужно только те превращения, которые происходят в заданном сплаве.
Например:
Вычертите диаграмму железо–цементит и укажите превращения в стали, содержащей 1% углерода, при медленном охлаждении от 1600 до 20ОС. Ответ:при охлаждении сплава до температуры t=1450ОС (рис.1) идет охлаждение жидкого раствора. Начиная с точки t1 из жидкого раствора выделяются кристаллы аустенита. Аустенит–это твердый раствор углерода в γ-железе. В интервале температур между точками t1 и t2 =1340ОС количество кристаллов аустенита увеличивается, а количество жидкой фазы уменьшается. В точке t2 происходит окончательное затвердевание аустенита. В интервале температур между точками t2 и t3 никаких превращений не происходит, идет охлаждение аустенита. В точке t3=800ОС начинается вторичная кристаллизация: из аустенита начинает выделяться вторичный цементит, так как растворимость углерода в железе с уменьшением температуры уменьшается. Цементит–это химическое соединение железа с углеродом–карбид железа (Fe3С). В интервале температур между точками t3 и t4 количество цементита увеличивается. Поскольку цементит содержит 6,67% углерода, в остающемся аустените количество углерода уменьшается в соответствии с точками линии ЕS. В точке t4=727ОС оставшийся аустенит, содержащий 0,83% углерода (точка S), окончательно распадается на перлит. Перлит–это эвтектоид–мелкая механическая смесь феррита и цементита вторичного. Окончательная структура сплава – перлит и цементит вторичный.
После изучения темы нужно уметь:
1) описывать превращения, протекающие в железоуглеродистых сплавах разной концентрации при их медленном охлаждении или нагревании;
2) объяснять причины вторичной кристаллизации в железоуглеродистых сплавах;
3) указывать превращения во всех критических точках диаграммы;
4) исходя из структуры до- и заэвтектоидной стали, указывать разницу в свойствах;
5) исходя из структуры белых и серых чугунов указывать их свойства и область применения.
Вопросы для самоконтроля
1 Перечислите фазы системы железо-цементит. Укажите условия их образования.
2 Сравните по твердости и пластичности цементит, феррит, аутенит.
3 Изобразите диаграмму состояния Fe – Fe3C, поясните значение точек и линий диаграммы.
4 Поясните превращения, происходящие в структуре при медленном охлаждении расплава до комнатной температуры в сталях с содержанием углерода 0,3; 0,8; 1,2%. Укажите различие их структуры при комнатной температуре.
5 Поясните превращения, происходящие в структуре при медленном охлаждении расплава до комнатной температуры в чугунах с содержанием углерода 3,2; 4,3; 5%. Укажите различие их структуры при комнатной температуре.
6 Дайте определение структур перлит и ледебурит.
7 Укажите различие эвтектоидного и эвтектического превращений.
Тема 2.5 Термическая обработка
Термическая обработка; ее сущность и назначение. Факторы, влияющие на результат термической обработки. Классификация видов термической обработки. Роль отечественных ученых в области теории и практики термической обработки
Превращения в стали при нагреве и охлаждении. Структуры, получающиеся при разной скорости охлаждения аустенита (сорбит, бейнит, троостит, мартенсит); их характеристики и свойства
Отжиг стали. Виды отжига и его назначение. Структура металла до и после отжига. Механические свойства стали до и после отжига
Нормализация стали. Назначение и сущность нормализации. Образующиеся структуры. Отличие нормализации от отжига. Свойства стали после нормализации и область применения после нормализации
Закалка стали. Назначение и сущность процесса закалки, основные виды закалки. Понятие о прокаливаемости стали. Охлаждающие среды и их влияние на структуру закаленной стали. Методы закалки и выбор температуры нагрева стали под закалку. Структуры, получаемые после закалки, их краткая характеристика. Обработка холодом. Основная цель и сущность обработки стали холодом. Выбор температуры. Область применения метода