materialovedenie1 (Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Колосанов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева, Н.В. Ульянова - Материаловедение), страница 16

Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз. (Это используют при получении синтетических алмазов.) Фазы в ею|явах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободньш углерод в виде графита.

Феррит (обозначают Ф или гх)- твердый раствор внедрения углерода в Ге„. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низко- температурном феррите мала и составляет 0,02 у,', в высокотемпературном — 0,1г. Столь низкая растворимость углерода в Ге„обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке.

Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (ваканснях, дислокациях). Феррит-мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: о.=300 МПа; 8=40",'„; ф =70 „; КС(/ = 2,5 МДж/мз; НВ 800 — 1000. Аустеннт ' (обозначают А или у)- твердый раствор внедрения углерода в Гег Он имеет ГЦК решетку, межа- томные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимос|ь углерода в Ге„ значительно больше и достигает 2,14;4. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ 1600-2000) при температуре 20-25'С.

Цементнт (обозначают Ц) — карбид железа (почти постоянного состава) Ге|С. Содержит 6,69 гС и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (НВ 8000) и хрупок. Он слабо ферромагнитеп и теряет ферромагнетизм при температуре 210'С.

'Температуру плавления цемензита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. Она установлена равной 1260'С при нагреве лазерным лучом. Графит — углерод, вылеляющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную ' В |есть енгннясвого ученого Р. Луегене. 56 Законол~ерноети формирования структуры материалов пав ьаа аавквг 24ю в Ф Хв у в ц'/ ж ва ва ы уа аа и ва ре,стя Ряс. 3.12.

Диаграмма состояния Ре — Ге С з кристаллическую решетку. Графит электропроволен. химически стоек, малопрочен, мягок. Превращения в сплавах системы железо -цементвт. Диаграмма состояния Ге — ГезС (рис. 3.12) характеризует фазовый состав и превращения в системе железо — цементит (6,69% С). Особенность диаграммы — наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек лиаграммы привелены в табл.

3.1. Точка А определяет температуру плавления чисто|о железа, а точка Р— температуру плавления цементита. Точки Ф и 6 соответствуют температурам полнморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы. Превращения в сплавах системы Ге-ГезС происходят как при затвердевании жилкой фазы, так и в твердом ТАБЛИЦА 3.!. Характеряые точки диаграммы соспнмяя 1иелезо-яемея- тят состоянии.

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвндус (АВСР) и солидус (АНлЕСР). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной молификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ЕЯ и РЦ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените н феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия РГКТ). Цементит, выделяющийся из жидкости, называют первичным; цементит, выделяющийся из аустенита, — вторичным; цементит, выделяющийся из феррита,— третичным.

Соответственно линию СР на лиаграмме состояния называют линией первичного цементита, ЕŠ— линией вторичного цементнта; РД-линией третичного цементнта. В системе железо-- цементит происходят три изотермических превращения: перитектическое превращение на линии НУВ (1499'С) Фн + Жв — ~ АЛ Втинние кимическо:о т вс эвтектическое превращение на линии ЕСГ (1147'С) Жс [Ав+ Цл; эвтектоидное превращение на линии РЕК (727'С) Ав [Фр+ Цу Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритол~', а эвтектоидная смесь феррита и цементита — перлитом. Эвтектоид-перлит (содержит 0,8 у,'С) и эвтектику- ледебурит (4,3 огС) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние ва свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной сзруктурной составлянлцей: ст„= 800 —:900 МПа; оод— - 450 МПа; 8<16%; НВ 1800— 2200. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии 5К входящий в него аустенит превращается в перлит, в при температуре 20 — 25 С ледебурит представляет собой смесь цементита н перлита.

В этой структурной составлянвцей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его болыпой твердости (> НВ 6000) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием. Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: сттьли, содержащие до 2,14%С, н чугуны. Крисншллизапил сталей.

Кристаллизация чисто~о железа про~екает изотермически при температуре 1539'С, а сплавов железа с углеродом-в интервале температур. Рассмотрим вначале верхний участок диаграммы состояния (рис. 3.13), где происходит перитектическое превращение. ' В честь номаакого учвного А Лсавбура. сосн1ава на равновесн>ю етрукгнуру сплавов 57 аг аж о,ут с,ж» Рве. 3.13. Часть лнатраммы состояния Ре — Ре С лля сталей, испытывающих периз тектнческое преврвшеннс Сплав 1, содержащий менее 0,1%С, не испытывает перитектического преаращения. Он кристаллизуется в интервале температур точек 1-2. При этом составы жидкой фазы н феррита изменяются по обычным законам кристаллизации твердых растворов. Образуется зернистая структура, состоящая из кристаллов феррита.

В интервале теьп(ератур точек 3-4 происходит перекристаллизация феррита в аустенит, вызванная полиморфизмом железа. Сплав Ш, содержащий 0,16%С при кристаллизации из жидкой фазы в интервале температур точек 8 -9, образует кристаллы феррита, которые при температуре точки 9 имеют состав точки Н, а оставшаяся жидкость -состав точки В. При температуре 1499'С протекает перитектическая реакция. Кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой, и образуются кристаллы аустенита состава точки У.

Согласно правилу фаз перитектический процесс идет нзотермически и при постоянной концентрации фаз, так как число степеней свободы при этом процессе равно нулю. Сплавы типа Н имеют содержание углерода от 0,1 до 0,16%. В интервале температур точек 5 — 6 выделяется феррит. При температуре точки 6 в сплаве Ц содержатся избытки феррита. В результате перитектический процесс заканчивается образованием новой фазы 58 Закономерности формирования структуры материояое Рис.

3.14. Часть диаграммы состояния Ре — Ре С 3 дяя сплавов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное пре- вращение 2,ГО С,% 4' ВО2 О,О О) с вь ОеО2 аустенита при сохранении некоторого количества феррита: Фн+ Жн — А, + Фщ т При дальнейшем охлаждении зтот остаток феррнта перекристаллизуется в аустенит с тем содержанием углерода, которое имеет сплав. Сплавы типа Л' содержат углерод от 0,1б до 0,51~. При температуре точки 11 они имеют избыток жидкой фазы, по сравнению со сплавом ПЕ В результате перитектический процесс заканчивается образованием аустенита при сохранении некоторого количества жидкой фазы: Фн+ Жн = А+ Жни .~ При дальнейшем охлаждении в интервале температур точек 11 — 12 оставшаяся жидкая фаза затвердевает, образуя аусгенит.

Концентрация углерода в аустените ниже температуры точки 11 изменяется по линии ЗЕ. Таким образом, все рассмотренные сплавы, лежащие ниже линий ЖЗ и УЕ, находятся в твердом состоянии н имеют аустенитную структуру. Превращения стилей в твердом состоянии. Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии, позтому рассмотрим более подробно превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации (ннже линии 1я'УЕ).