Кристаллизация сталей и твердофазные превращения в сталях. Выделение аустенита, феррита, цементита, перлитное превращение (стр. 1 из 2)
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 (1499ºС) ─ 0,51% С
H (1499ºС) ─ 0,1% С
I (1499ºС) ─ 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 АВ ─ линия насыщения жидкого сплава δ-Ферритом. Состав жидкости описывается линией ликвидус, а δ-Ф по линии солидус.
При t3 жидкая фаза имеет состав т. б, а δ-Ф ─ состав т. а.
При t4 кристаллизация заканчивается, ниже этой температуры существует только δ-Ф, вплоть до температуры t5.
Ниже t5 δ-Ф пересыщается
–Fe (Аустенитом) и происходит его выделение.При температуре t6 ─ точка в описывает состав ─ δ-Феррита, точка г ─ описывает состав Аустенита.
Количественное соотношение фаз:
δ-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 δ-Феррита точкой Н:
δ-Фн + Жв 
АJ + δ-Фн (остаточный или избыточный)
При дальнейшем охлаждении ниже t4 остаточный δ-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):
δ-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:
δ-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 δ-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 3а и 3б 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 =
(ЦIII ─ 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 (727º 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.