Кристаллизация сталей и твердофазные превращения в сталях.
Выделение аустенита, феррита, цементита, перлитное превращение

Тип работы:
Контрольная
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Институт повышения квалификации

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по Металловедению

на тему

«Кристаллизация сталей и твердофазные превращения в сталях. Выделение аустенита, феррита, цементита, перлитное превращение»

Алчевск 2009

1. Кристаллизация в сталях

Рисунок 1. Участок диаграммы состояния железо — карбид железа

Характерные точки диаграммы:

B (1499?С) — 0,51% С

H (1499?С) — 0,1% С

I (1499?С) — 0,16% С

Пять групп сталей при кристаллизации:

Iгр.  — от 0 до 0,1% С (до т. H)

IIгр.  — от 0,1 до 0,16% С (от т. H до т. J)

IIIгр.  — 0,16% C (т. J)

IVгр.  — от 0,16 до 0,51% С (от т. J до т. В)

Vгр.  — от 0,51 до 2,14% С (от т. В до т. С)

Рассмотрим ряд характерных сплавов:

Сплав I

При температуре соответствующей точке 1, сплав находится в равновесном состоянии, имеется набор фазовых и концентрационных флуктуаций.

При t2 — количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций увеличивается, и немного ниже t2 начинается процесс кристаллизации. Линия А В — линия насыщения жидкого сплава ?-Ферритом. Состав жидкости описывается линией ликвидус, а ?-Ф по линии солидус.

При t3 жидкая фаза имеет состав т. б, а ?-Ф — состав т. а.

При t4 кристаллизация заканчивается, ниже этой температуры существует только ?-Ф, вплоть до температуры t5.

Ниже t5 ?-Ф пересыщается -Fe (Аустенитом) и происходит его выделение.

При температуре t6 — точка в описывает состав — ?-Феррита, точка г — описывает состав Аустенита.

Количественное соотношение фаз:

?-Фв =

Аг=

Ниже точки 7 существует только аустенит.

Сплав II

Точка 1, 2, 3 — аналогично сплаву l.

При температуре t4, соответствующей перитектическому равновесию, состав жидкой фазы определяется точкой В, а состав ?-Феррита точкой Н:

?-Фн + Жв АJ + ?-Фн (остаточный или избыточный)

При дальнейшем охлаждении ниже t4 остаточный ?-Фост. кристаллизируется в аустенит (А).

Ниже т. 5 существует только аустенит.

Сплав III

Точки 1, 2, 3 — аналогично сплавам I, II.

При температуре т. 4 (J) (температура перитектического равновесия):

?-Фн + Жв АJ (100%),

происходит полное превращение без сохранения избыточных фаз.

Сплав IV

Точки 1, 2, 3 — аналогично сплаву I-III.

При температуре т. 4 происходит перитектическое превращение:

?-Фн + Жв АJ + Жост.

При дальнейшем понижении температуры от т. 4 до т. 5, оставшаяся жидкая фаза кристаллизуется в аустенит (А).

Сплав V

При температуре т. 1 и т. 2 — положение сплава аналогичны ранее рассмотренным.

При температуре т. 3 происходит кристаллизация жидкости в аустенит (в т. 2 жидкая фаза пересыщается в отношении -Fe).

Для жидкости состав меняется по ликвидус f — 5, а для Аустенита — d — 4, по линии солидус.

Ниже т. 4 существует только аустенит.

Таким образом, какой бы мы сплав не взяли, при содержании углерода менее 0,51%, несмотря на предварительные образования ?-фазы, в конечном итоге образуется -фаза (аустенит).

Аустенит представляет собой однородный твердый раствор внедрения углерода в -Fe.

Рисунок 2. Микроструктура аустенита

2. Твердофазные превращения в сталях

Сплавы Fe с С содержащие от 0 до 0,025% С — технически чистое железо.

Сплавы Fe с С — от 0,025 до 0,81% С — доэвтектоидные стали.

Сплавы Fe с С — 0,81% С — эвтектоидная сталь.

Сплавы Fe с С — от 0,81 до 2,14% С — заэвтектоидные стали.

Рисунок 3. Участок диаграммы состояния железо — карбид железа

Рассмотрим ряд характерных сплавов:

Сплав I (технически чистое железо).

Точка 1 — существует Аустенит, имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций.

Точка 2 — увеличивается размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций.

В точке 3 — начинается выделения кристаллов феррита (- модификация). Проводим каноду: т. а — описывает состав аустенита (начало полиморфного превращения -Fe-Fe); т. б — описывает состав феррита (конец полиморфного превращения).

Количественное соотношение фаз:

Аа =,

Фб =,

(при расчете в домашнем задании и необходимо измерять линейкой, а затем рассчитывать).

С охлаждением сплава количество феррита (Ф) увеличивается (состав изменяется от б до 4), а аустенита (от а до г).

В точке 4 превращение, А заканчивается. При t5 существует только феррит. Линия PQ — линия изменения растворимости С в Феррите.

При охлаждении ниже PQ феррит пересыщается углеродом, в результате чего происходит выделение избыточного углерода в виде цементита третичного.

Рисунок 4. Микроструктура технически чистого железа

При комнатной температуре:

ЦIII = (max ЦIII=0,29%)

ФQ =

III - более 0,17% С не брать. )

Сплав II (доэвтектоидная сталь — 0,3% С)

Точки 1 и 2 аналогично сплаву I. При t3 размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций становится критическим и появляется возможность перекристаллизации, А в Ф.

Количественное соотношение фаз:

Аy=,

ФZ=.

При охлаждении состав Аустенита изменяется по линии y — S, состав Ф по линии z — P. Содержание углерода в Аустените возрастает, а его количество уменьшается.

При t4 (727? С) содержание углерода в аустените достигает 0,81% (точка S).

При t4:

Фр =,

Аs =.

Аустенит при этой температуре одновременно насыщен по отношению к ферриту и цементиту, ниже т. 4 из Аустенита в результате эвтектоидного превращения образуется феррито — цементитная смесь:

Аs Фр + Ц — эвтектоид,

перлит

т.е. перлита будет столько же, сколько аустенита до превращения — П=АS=35%.

Т.о., структура стали после охлаждения будет: Фр и Перлит (Ф и Ц).

Рисунок 5. Микроструктура доэвтектоидной стали

Сплавы Fe с С содержащие углерод от 0,025 до 0,25% называются — малоуглеродистыми.

С = 0,25 0,6% - среднеуглеродистые стали;

С = 0,6 0,8% - высокоуглеродистые доэвтектоидные.

Подсчитаем количество фазовых составляющих при t5 для сплава с 0,3% С.

т.Q = 0,006% С.

т.L = 6,67% С.

Канода QL — 100%:

ФQ = ,

ЦL =.

Структура:

Ф = П =

Перлит чаще имеет пластинчатое строение, т. е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Толщина этих пластинок находится в соотношении 7,3:1. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение.

Сплав III (эвтектоидный состав сплава — 0,81% С).

Точка 1 — равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций.

Точка 2 — количество и размер фазовых и концентрационных флуктуаций увеличивается.

Точка 3 — Аустенит насыщен одновременно по отношению к ферриту и цементиту, и ниже этой температуры (t3 =727?С), Аустенит распадается с образованием эвтектоидной смеси (Ф+Ц):

AS Ф+Ц

перлит

Т.о., сплав III будет иметь одну структурную составляющую — Перлит.

Рисунок 6. Микроструктура эвтектоидной стали

Определим при температуре t4 количественное соотношение фазовых составляющих:

ФQ = ,

ЦL =.

Это постоянное соотношение Ф и Ц в перлите, отсюда и соотношение толщин пластинок раза. (Запомнить!)

Сплав IV (1,4% С — заэвтектоидный сплав)

При t1 имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций.

При t2 размер и количество фазовых и концентрационных флуктуаций цементита увеличивается.

При охлаждении до t3 размер фазовых и концентрационных флуктуаций становится критическим и происходит выделение Ц из аустенита.

При t3:

Aq = ,

ЦIIp =.

Состав аустенита при охлаждении меняется по линии qS, а цементит имеет постоянный состав т. К.

Температура t4 — соответствует линии эвтектоидного равновесия.

Перед t4:

Аs =.

Данный аустенит, имеющий состав точки S при дальнейшем охлаждении превратится в перлит (7270 С):

AS П (Ф+Ц), т. е. AS = П= 89,9%.

ЦII =.

При t5 количественное соотношение фаз составит:

ФQ = ,

ЦL=.

Рисунок 7. Микроструктура заэвтектоидной стали

3. Построение кривой охлаждения

Рисунок 8. Кривая охлаждения малоуглеродистой стали

1−2 2−3 3−4

4−5 5−6 6−7

Рисунок 9. Схема изменения микроструктуры малоуглеродистой стали в процессе кристаллизации и твердофазных превращений

Литература

1. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. М., 1972, 1980.

2. Гуляев А. П. Металловедение. М., 1986.

3. Антикайн П. А. Металловедение. М., 1972.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой