Фазовые превращения в сплавах железа срс кратко

Обновлено: 02.07.2024

Магнитный метод исследования применяют для исследования превращений в сплавах. Этот метод основан на зависимости магнитных свойств сплава от структуры или состава. Магнитный метод исследования основан на том, что аустенит немагнитен, а перлит, феррит и все продукты превращения аустенита магнитны. Этот метод получил наибольшее распространение среди металловедов и имеет ряд крупных преимуществ.

Железо и его сплавы.

Простое вещество железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе .

Для железа характерен полиморфизм, оно имеет четыре кристаллические модификации:

до 769 °C существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ≈ 1043 K — точка Кюри для железа);

в температурном интервале 769—917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмно-центрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика;

в температурном интервале 917—1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой;

выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объёмно-центрированной кубической решёткой.

Металловедение не выделяет β-Fe как отдельную фазу[18], и рассматривает её как разновидность α-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри (769 °C ≈ 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком — происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.

Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металловедения, существуют следующие устойчивые модификации:

от абсолютного нуля до 910 °C устойчива α-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой;

от 910 до 1400 °C устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой;

от 1400 до 1539 °C устойчива δ-модификация с объёмно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой.

Наличие в стали углерода и легирующих элементов существенным образом изменяет температуры фазовых переходов (см. фазовую диаграмму железо—углерод). Твёрдый раствор углерода в α- и δ-железе называется ферритом. Иногда различают высокотемпературный δ-феррит и низкотемпературный α-феррит (или просто феррит), хотя их атомные структуры одинаковы. Твёрдый раствор углерода в γ-железе называется аустенитом.

В области высоких давлений (свыше 13 ГПа, 128,3 тыс. атм.[19]) возникает модификация ε-железа с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решёткой.

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря α—γ переходам кристаллической решётки происходит термообработка стали. Без этого явления железо как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо относится к умеренно тугоплавким металлам. В ряду стандартных электродных потенциалов железо стоит до водорода и легко реагирует с разбавленными кислотами. Таким образом, железо относится к металлам средней активности.

Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения — 2862 °C.

Фазовые превращения в сталях и чугунах.

Фазовые превращения в сплавах железа начинаются и заканчиваются при строго определенных температурах. Термическая, химико -термическая обработка деталей машин, сплавов, инструментов, металлоконструкций связана с этими температурами.

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них — сталь и чугун — представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Ниже рассмотрено строение и фазовые превращения в сплавах железо—углерод, а также фазы в сплавах железа с легирующими элементами.

Чугун - это железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода. Однако указанная граница (2,14% C) относится только к двойным железоуглеродистым сплавам или сплавам, содержащим сравнительно небольшое число примесей. Вопрос о границе между сталями и чугунами в высоколегированных железоуглеродистых сплавах, т.е. содержащих ещё большее количество других элементов, кроме железа и углерода, является спорным. Железоуглеродистые сплавы затвердевают с образованием эвтектики.

Чугун - важнейший первичный продукт черной металлургии. Чугун вторичной плавки - один из основных конструкционных материалов, используемый как литейный сплав.

Чугун отличается от стали по составу - более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддаётся ковке). Чугун дешевле стали.

Принято несколько способов классификации чугунов: чугуны группируют по самым разным общим признакам (мы рассмотрим их позднее). Пока приведём классический пример классификации чугунов.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида;

серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита;

высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита.

ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерода отжига).

Сталь (от нем. Stahl) — сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в стали обычно устанавливают в диапазоне от 0,1 до 2,14 %, причём содержанию 0,6 % и выше соответствует высокоуглеродистая сталь.

Превращения в сплавах системы железо — цементит Фазовый состав

При изучении влияния легирующих элементов на фазовые превращения и структурный состав железомарганцевых сплавов основное внимание уделяют превращению у е, так как считают, что влияние легирующих элементов на Y-va-превращение в сплавах системы Fe—Мп аналогично их влиянию на образование а-мартенсита в других сплавах на основе железа.

Теоретически термической обработке первой группы могут быть подвергнуты любые металлы и сплавы, а термической обработке второй, третьей и четвертой групп только те металлы и сплавы, которые имеют фазовые превращения в твердом состоянии, а именно аллотропические превращения, частичный или полный распад твердых растворов. Возможность термической обработки данных сплавов можно определить по их диаграмме состояния. Однако практически не всегда эту возможность можно использовать, так как изменение свойств металлов при термической обработке бывает иногда незначительным. Например, железо имеет аллотропические превращения и может быть подвергнуто закалке, но величина его прочности и твердости после закалки увеличивается незначительно.

Фазовое превращение, совершающееся по линии ЕЗ (выделение из у-фазы карбида железа), принято обозначать Лет. В сплавах железо-углерод проходит еще одно превращение, отсутствующее в чистом железе и связанное с переходом карбида железа при охлаждении в ферромагнитное состояние.

Из изложенного следует, что, пользуясь правилом рычага, можно решить две задачи:

1) по содержанию углерода заранее определить относительные количества феррита и перлита в структуре медленно охлажденной доэвтектоидной стали;

2) по микроструктуре доэвтектоидной стали определить соотношение площадей, занимаемых ферритом и перлитом, а следовательно, установить химический состав (содержание углерода) в этой стали.

Знание фазовых и структурных превращений, протекающих в стали при ее нагреве и охлаждении с различной скоростью, позволяет правильно установить режимы различных видов термической обработки, широко применяемых на металлургических и машиностроительных заводах.

Образование аустенита из перлита возможно после небольшого перегрева стали относительно равновесной температуры (Ai), когда свободная энергия аустенита становится меньше свободной энергии феррито-цементитной смеси. Превращение перлита в аустенит - кристаллизационный процесс, и он протекает в результате образования зародышей аустенита и последующего их роста.

Зародыши аустенита всегда возникают на границе раздела кристаллов феррита и цементита. Скорость образования аустенита больше всего, если сталь имела структуру тонкопластинчатого перлита, эта скорость уменьшается, если перлит имеет грубопластинчатую форму, и скорость образования аустенита меньше всего для зернистого перлита. Это объясняется тем, что с увеличением дисперсности карбидов возрастает поверхность их раздела с ферритом и , следовательно, увеличивается скорость возникновения зародышей аустенита и их рост.

Образовавшиеся зародыши аустенита развиваются в результате растворения цементита и превращения феррита. Однако скорость роста кристалла аустенита за счет феррита всегда больше, чем за счет цементита. Поэтому после превращения феррита в аустените сохраняется еще некоторое количество цементита, который при дальнейшей выдержке (или повышении температуры) растворяется в аустените.

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше А_с3 (для доэвтектоидной стали) и выше А_ст (для заэвтектоидной стали), переохладить до температуры ниже Аг_ь то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращения. Для описания кинетики превращения переохлажденного аустенита пользуются экспериментально построенными диаграммами время- температура - время распада или диаграммами изотермического превращения аустенита.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области или ступени превращения: перлитную, область промежуточного превращения и мартенситную.

Перлитное превращение (рис.56) сводится к полиморфному превращению g→a и диффузионному перераспределению углерода, что приводит к образованию феррито - цементитной структуры. В результате диффузионного перемещения углерода практически однородной по концентрации аустенита, например углеродистой стали, распадается с образованием феррита (почти чистое железо) и цементита, содержащего 6,67% С, т.е., состоит из фаз, имеющих резко различную концентрацию углерода.

Ведущей фазой при этом является карбид (цементит). Как правило, его зародыши образуются на границах зерен аустенита.

В результате роста частиц этого карбида прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфизм g→a превращения, которое, как всякая перестройка решетки в решетку, идет сдвиговым путем. При этом кристаллики феррита зарождаются на межфазных границах с цементитом, где этот процесс облегчен.

Мартенсит является частично упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в а - железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в а - железе при 20°С не превышает 0,002% С, то его содержание в мартенсите может быть таким же, как и в исходном аустените, т.е. достигать в пределе 2,14% С.

Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлажден до низких температур, когда диффузионные процессы становятся невозможными. При мартенситном превращении не происходит перераспределения его компонентов между аустенитом и мартенситом, поэтому его можно рассматривать как фазовое превращение в однокомпонентной системе. Образование мартенсита становится возможным лишь тогда, когда его энергия Гиббса будет меньше энергии Гиббса аустенита. Это имеет место при переохлаждении аустенита до температуры ниже Т_о . Для начала мартенситного превращения требуется большое переохлаждение аустенита (точка М_н), при котором значение разности объемной энергии Гиббса: DG_o₆> G_пов + G_упр. Закончится мартенситное превращение при температуре М_к. Аналогичное явление может иметь место при нагреве.

Превращение аустенита в мартенсит и обратное превращение мартенсита в аустенит протекает в интервале температур (М_н - М_к и А_н - А_к), который зависит от состава аустенита. Деформация аустенита при температуре между М_н и М_д (лежащей несколько ниже Т_о) также вызывает мартенситное превращение образуется мартенсит деформации.

Бейнитное превращение протекает при температурах, когда скорость самодиффузии железа и диффузия легирующих элементов практически невозможны, а скорость диффузии углерода еще достаточно высока. Это и предопределяет особенности бейнитного превращения. В начале этого превращения происходит диффузионное перераспределение углерода в аустенит, что приводит к образованию в нем объемов, обогащенных и обедненных углеродом. Участки аустенита с низким содержанием углерода, у которых точка М_н лежит в области температур промежуточного превращения, претерпевает g→a превращения по мартенситному механизму. Образующийся малоуглеродистый мартенсит тут же отпускается при температурах промежуточной области с образованием бейнитной структуры. В объемах аустенита, обогащенных углеродом, если их пересыщение высокое, процессе изотермической выдержки могут выделяться частицы карбида.

Бейнитное превращение протекает по следующим реакциям: (аустенит) → (малоуглеродистый реечный мартенсит) + Fe₃C + _ост (остаточный аустенит) → бейнит. Если в результате диффузионного перемещения углерода в аустените участки, обогащенные углеродом, не претерпевают распада с выделением карбидов или мартенситного превращения, при охлаждении образуется бескарбидный бейнит - малоуглеродистый мартенсит и высокоуглеродистый аустенит. При образовании бескабидного бейнита не происходит выделение карбидов и в структуре сохраняется высокоуглеродистый аустенит (~ 0,1% С) с низкой мартенситной точкой М„ и М_к и высокой устойчивостью к деформационному воздействию. Бескарбидный бейнит обеспечивает высокую конструктивную прочность стали. Образование в структуре бейнита карбидов, приводит к сильному охрупчиванию стали.

Общее представление об этом можно получить из диаграммы состояния.

В данном разделе описан механизм фазового превращения и его зависимость от условий

Образовательный сайт для студентов и школьников

положениям теории кристаллизации (появление зародышей, рост кристаллитов и т. п.).

При нагревании, например, эвтектоидной перлитной стали до температуры Аа происходит постепенно увеличивающееся растворение цементита в феррите и повышение концентрации углерода в соответствии с линией предельной растворимости (рис. 3.8, линия PSK). При дальнейшем возрастании температуры (несколько выше АС|) концентрация углерода в отдельных зернах феррита возрастает, они становятся неустойчивыми и начинается превращение (перестройка решетки) феррита в аустенит, стабильный при данной температуре. Зародыши аустенита образуются на границе раздела феррита и цементита, где наличие дефектов структуры снижает энергию их образования. После исчезновения с ростом температуры границ феррита и цементита наблюдается рост образовавшихся зерен аустенита. Однако он неоднороден по содержанию углерода в отдельных зернах (блоках).

Для начала гомогенизации аустенита требуется повышение температуры выше Ас3 и некоторое время. Чем больше углерода, тем быстрее протекает процесс гомогенизации. Однако легирующие (Сг, Mo, V) задерживают процесс аустенизации при нагреве из-за образования легированного цементита или карбидов легирующих. Процесс задержки усугубляется увеличением скорости нагрева. При дальнейшем повышении температуры выше АСз происходят рост зерна аустенита и его гомогенизация.

Если эвтектоидную сталь переохладить до температуры ниже Асз, то аустенит окажется в метастабильном состоянии и должен претерпевать превращение. Кинетика этого процесса описывается диаграммами изотермического превращения аустенита, т. е. превращения,

протекающего при постоянной температуре. Процесс изотермического превращения аустенита рассмотрим на примере переохлаждения эвтектоидной стали. Пусть, нагретая до 770…780 С (несколько выше Ас,) сталь охлаждена до температуры Т,, лежащей ниже Аа. При этом аустснит переохлажден на величину ДТ (рис. 4.1, а).

Рис. 4.1. Схема изотермической обработки (а) и кинетическая кривая (б) распада аустенита.

Являясь метастабильным, переохлажденный аустенит сохраняется в течение времени t,. Точка Н — начало распада, а точка К — конец распада аустенита, продолжительность распада t!—12. На рис. 4.1, б показана кинетическая кривая распада аустенита, из которой видно, что наибольшая скорость распада наблюдается при 50%-ном превращении аустенита.

Повторяя описанный процесс при разных степенях переохлаждения АТ, получим в каждом случае разное положение точек Н и К Соединив линии, представляющие собой геометрические места точек Н и К при различных ДТ, построим диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита (рис. 4.2.).

Следствием распада аустенита является снижение растворимости углерода в феррите, поэтому избыток углерода диффузионно выделяется из раствора, дополни-

Рис. 4.2. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита: Н начало распада; К — конец распада;

Тму — температура минимальной устойчивости аустенита

Рис. 4.3. Диаграммы изотермического распада аустенита в низкоуглеродистой (I), среднелегированной (II) и высоколегированной (III) сталях

при охлаждении, т. е. сохраняют его устойчивость в большом временном интервале. В первом приближении можно принять, что легирующие элементы смещают линии изотермических превращений (С образные кривые) вправо (см. рис. 4.3), а температуру мартенситных превращений Мн — вниз. Углерод, никель, медь и, частично марганец, находясь в таком растворе, увеличивают устойчивость аустенита и замедляют скорость его распада в ферритной области. Карбидообразующие элементы (Сг, Mo, V, Тій др.) замедляют распад аустенита в области перлитного превращения при Т = 780…550 °С и особенно резко уменьшают скорость распада аустенита при Т = 550…400 °С. При Т

Читайте также: