Превращения, происходящие при нагреве и охлаждении сталей и чугунов

 

Сталь доэвтектоидная с содержанием 0,3 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ac₁ (727 °С) превращений нет, и сталь имеет структуру перлит + феррит. При Ас₁ (727 °С) происходит превра­щение перлита в аустенит и образуется структура аустенит + фер­рит. От Ас₁ до Ас₃ феррит превращается в аустенит. При Ас₃ сталь имеет структуру аустенита. От Ас₃ до tc¹ (температуры солидуса) сталь находится в твердом состоянии и имеет структуру аустенита. При температуре солидуса начинается плавление аустенита.

От температуры солидуса tc¹ до температуры ликвидуса tл¹ име­ется аустенит + жидкий сплав. Выше tл¹ сталь находится в жидком состоянии.

 

 

 

Рис. 33. Диаграмма состояния Fe – Fe₃C (в упро­щенном виде)

При охлаждении до температуры tл¹ сталь находится в жидком состоянии. При tл¹ начинается кристаллизация аусте­нита. От tл¹ до tс¹ происходит кристаллизация аустенита, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл¹ до Аr₃ сталь имеет структуру аустенита. От Аr₃ до Аr₁ часть аустенита превращается в феррит, и сталь имеет структуру: аустенит + феррит. При Аr₁ (727 °С) происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar₁ сталь до полного охлаждения имеет структуру: перлит + феррит (см. рис. 30, а).

Сталь эвтектоидная с содержанием 0,8 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ас₁ (727 °С) превращений нет, и сталь имеет перлитную структуру. При Ac₁ происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ac₁ до начала плавления сталь имеет аустенитную структуру. При температуре солидуса (для этой стали tc²) начинается плавление аустенита. От tc² до tл² (температура ликвидуса) проис­ходит плавление, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. Выше tл² сталь находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до tл² сталь находится в жидком сос­тоянии. При tл² начинается кристаллизация аустенита. От tл² до tс² происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл² до Ar₁ (727 °С) сталь состоит из аустенита. При Ar₁ происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar₁ сталь имеет структуру перлита (рис. 30, б).

Сталь заэвтектоидная с содержанием 1,2 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ас₁ (727 °С) превращений нет, и сталь имеет структуру: перлит + цементит вторичный. При Ас₁ происходит превращение перлита в аустенит. От Ас₁ до Аст (критическая точка, лежащая на линии SE) происходит растворение вторичного цемен­тита в аустените. При Аст сталь имеет аустенитную структуру. От Аст до температуры солидуса tс³, лежащей на линии АЕ, сталь находится в аустенитном состоянии. При tс³ начинается плавление аустенита. В интервале от tс³ до tл³ сталь состоит из аустенита и жид­кого сплава. Выше tл³ сталь полностью находится в жидком состоя­нии.

При охлаждении до tл³ сталь находится в жидком сос­тоянии. При tл³ (температура ликвидуса) начинается кристаллиза­ция аустенита. От tл³ до
tс³ происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из жидкого сплава и аустенита. При tс³ (температура солидуса) сталь полностью затвердевает, и структура ее представ­ляет аустенит. От tс³ до линии SE (температура Аст) структура стали не изменяется. При Аст начинается выделение вторичного цементита.

От Аст до Аr₁ (727 °С) происходит выделение вторичного це­ментита, и структура стали состоит из аустенита и вторичного це­ментита. При Аr₁ (727 °С) аустенит превращается в перлит. Ниже Аr₁ сталь имеет структуру: перлит + цементит вторичный (рис. 30, в).

Доэвтектический чугун с содержанием 3,0 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ас₁ превращений нет, и чугун имеет структуру: ледебурит + перлит + вторичный цементит. При этом эвтектика состоит из цементита и перлита. При Ac₁ происходит превращение перлита в аустенит. Это превращение претерпевает как свободный перлит, так и перлит, входящий в эвтектику. Выше Ас₁ чугун состоит из аустенита, вторичного цементита и ледебу­рита. При этом эвтектика состоит из цементита и аустенита.

От Ac₁ до t_э, (1147 °С) происходит растворение вторичного це­ментита в аустените и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %.

При t_э плавится ледебурит. Выше t_э чугун состоит из аустенита и жидкого сплава. От t_э, до tл⁴ плавится аустенит. Выше tл⁴ чугун на­ходится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до tл⁴ чугун находится в жидком сос­тоянии. При tл⁴ начинается кристаллизация аустенита. От tл⁴ до t_э (1147° С) происходит кристаллизация аустенита и при t_э чугун состоит из аустенита с содержанием 2,14 % углерода и жидкого сплава эвтектического состава (4,3 % углерода).

При t_э, происходит эвтектическая кристаллизация, и образуется ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием углерода 2,14 %. От t_э (1147 °С) до Аr₁ (727 °С) из аустенита как свободного, так и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит, и содержание углерода понижается до 0,8 %. Следовате­льно, в этом интервале температур чугун состоит из ледебурита, аустенита и вторичного цементита. При Аr₁ (727 °С) происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Аr₁ чугун состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита (см. рис. 31, а).

Эвтектический чугун с содержанием 4,3 % углерода(рис. 33).При нагреве до Ас₁ превращений нет, и чугун имеет структуру ледебурит, состоящий из цементита, перлита и вторичного цемен­тита. При Ac₁ происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ас₁ чугун имеет структуру – ледебурит, состоящий из цементита, аустенита и вторичного цементита. От Ас₁ до t_э происходит раство­рение вторичного цементита и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %. При t_э чугун полностью расплавляется. Выше t_э чугун на­ходится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до t_э (1147 °С) чугун находится в жид­ком состоянии. При t_э (1147 °С) чугун полностью затвердевает, и образуется структура – ледебурит, состоящий из аустенита, содержащего 2,14 % углерода и цементита. От t_э до Аr₁ из аустенита выделяется вторичный цементит, и содержание углерода в аустените понижается до 0,8 %. При Аr₁ аустенит превращается в перлит. Ниже Аr₁ чугун имеет структуру – ледебурит, состоящий из це­ментита, перлита и вторичного цементита (см. рис. 31, б).

Заэвтектический чугун с содержанием 5,0 % углерода (см. рис. 33). При нагреве до Ас₁ превращений нет, и чугун имеет структуру – ледебурит + первичный цементит. При Ас₁ (727 °С) перлит, находящийся в эвтектике, превращается в аустенит. Выше Ас₁ чугун имеет структуру – ледебурит и первичный цемен­тит, но эвтектика состоит из цементита и аустенита. От Аc₁ до t_э (1147 °С) происходит насыщение аустенита углеродом вследствие растворения вторичного цементита и при 1147 °С в аустените со­держится 2,14 % углерода.

При t_э плавится эвтектика. Выше t_э чугун состоит из жидкого сплава и первичного цементита.

От t_э до tл⁵ происходит плавление первичного цементита. Выше tл⁵ чугун полностью находится в жидком состоянии.

При охлаждении до tл⁵ чугун находится в жидком сос­тоянии. При tл⁵ начинается кристаллизация первичного цементита. От tл⁵ до t_э (1147 °С) происходит кристаллизация первичного цемен­Тита, и чугун состоит из жидкого сплава и первичного цементита. При t_э чугун состоит из первичного цементита и жидкого сплава эвтектического состава, т. е. содержащего 4,3 % углерода, который, кристаллизуясь при этой температуре, образует ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием 2,14 % углерода.

Ниже t_э превращение претерпевает только ледебурит, а первич­ный цементит не изменяется. Превращение в ледебурите такое, как описано выше при рассмотрении доэвтектического и эвтекти­ческого чугуна, т. е. от t_э до Аr₁ внутри ледебурита выделяется вто­ричный цементит, и чугун состоит из ледебурита и первичного цементита.

При Аr₁ внутри эвтектики аустенит превращается в перлит. Ниже Ar₁ чугун состоит из ледебурита и первичного цементита (см. рис. 31, в).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие фазы образуются в метастабильной системе железо–углерод? Дайте их характеристику.

2. Напишите эвтектическую и эвтектоидную реакции системы Fe-Fe3C. Какие структурные составляющие при этом образуются?

3. Что такое эвтектоидная сталь, какова ее структура?

4. Какие стали являются заэвтектоидными, какова структура этой стали?

5. Что такое чугун и как подразделяются чугуны по содержанию углерода?

6. Опишите структуру чугунов: 2,5 %С, 3,8 %С, 4,3 %С, 5 %С?

7. Как меняется структурный и фазовый состав сплавов в зависимости от содержания углерода. Как это влияет на свойства сплава?

8. Что такое цементит первичный, вторичный?

9. Какие примеси могут присутствовать в составе стали?