Кристаллизация и фазовый состав железоуглеродистых сплавов

Кристаллизация развивается только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается при их росте. В зависимости от условий кристалли­зации (скорости охлаждения, вида и количества примесей) образуют­ся кристаллы разных размеров от 10² до 10⁶ нм правильной и непра­вильной формы.

В сплавах в зависимости от состояния.различают следующие фа­зы: жидкие и твердые растворы, химические и промежуточные со­единения (фазы внедрения, электронные соединения и др.). Фазой называется физически и химически однородная часть системы (ме­талла или сплава), имеющая одинаковый состав, строение, одно и то же агрегатное состояние и отделенная от остальных частей системы разделяющей поверхностью. Поэтому жидкий металл представляет собой однофазную систему, а смесь Двух различных кристаллов или
одновременное существование жидкого расплава и кристаллов соот­ветственно двух- и трехфазные системы. Вещества, образующие сплавы, называются компонентами.

Твердые растворы представляют собой фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую ре­шетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в кристаллической решетке первого компонента (растворителя), изме­няя ее размеры (периоды). Различают твердые растворы замещения и внедрения. В первом случае атомы растворенного компонента заме­щают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решет­ки; во втором они располагаются в межузлиях (пустотах) кристалли­ческой решетки растворителя, причем в тех из них, где имеется больше свободного пространства. В растворах замещения период решетки может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного ком­понента; в растворах внедрения - всегда увеличиваться. Твердые рас­творы внедрения возникают только в случаях, когда диаметры атомов растворенного компонента невелики. Например, в железе, молибдене, хроме могут растзоряться и образовывать-твердые растворы внедре­ния углерод, азот, водород. Такие растворы имеют ограниченную концентрацию, так как число пор в решетке растворителя ограниче­но.

В металловедении твердые растворы принято обозначать буквами греческого алфавита а, (3, у н т.д., например, a-Fe, /? -Fe, Мик­роструктура твердого раствора мало отличается от структуры чистого металла. Все металлы могут в той или иной степени взаимно раство­ряться в твердом состоянии. Так в алюминии может растворяться до 5, 5% меди, а в меди 39% цинка без изменения кристаллической ре­шетки. Твердые растворы замещения с неограниченной растворимо­стью могут образовываться в случаях, когда компоненты имеют оди­наковые кристаллические решетки; различия в размерах атомов (ио­нов) не превышают 9-15%, и компоненты принадлежат к одной груп­пе периодической системы или смежным группам. Такой взаимной растворимостью обладают, например, металлы с гранецентрирован- ной кубической решеткой: Ag и Си; Си и Ni; Fe и Со; Fe и Сг; Ni и Pd.

Химические соединения образуются между компонен­тами, значительно отличающимися электронным строением атомов и кристаллических решеток. В большинстве случаев они не подчиня­ются законам валентности и не имеют постоянного состава. Напри­мер, цементит - Fe^C, содержащий 6, 67% углерода по массе, а также соединения марганца с элементами IV-VI групп периодической сис­темы. Соединения металлов имеют общее название интерметаллидов.

Фазы внедрения - карбиды, нитриды, бориды, гидриды об­разуются переходными металлами Fe, Мп, Сг, Мо и др. с углеродом, азотом, бсром и водородом, т.е. элементами с малым атомным радиу­сом. Они имеют много общего в строении и свойствах. В отличие от твердых растворов внедрения, фазы внедрения имеют самостоятель­ную кристаллическую решетку. Они переменного состава и обладают высокой твердостью.

Электронные соединения образуются между однова­лентными элементами (Си, Ag, Аи, Li, Na) или переходными метал­лами и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Sn, Cd, Al). Они имеют определенную электронную концентрацию (от­ношение числа валентных электронов к числу атомов) и отличную от компонентов кристаллическую решетку. Соединения этого типа ха­рактерны для сплавов меди-латуни (CuZn), оловянистых (Cu₃Sn), алюминиевых и бериллиевых бронз.

Процесс кристаллизации металлических сплавов описывают диа­граммами состояния или фазового равновесия, получаемыми на ос­нове термического анализа. Они характеризуют окончательное со­стояние сплавов, в которых все фазовые превращения произошли и полностью закончились. На рис. 7.6 приведена диаграмма состояния Fe-Fe₃C, которую условно представляют как Fe-C, имея в виду про­порциональное содержание углерода и цементита в сплаве. Вероят­ность образования метастабильного цементита в жидкой фазе или аустените при обычном и ускоренном охлаждении значительно больше, чем графита. Последний выделяется только при медленном охлаждении сплава (штриховые линии на диаграмме состояния).

Точка А (1539°С) соответствует температуре плавления чистого железа, точка D (1250°С) - температуре плавления цементита Fe₃C. Точки N(-1392°C) и G (910°С) соответствуют полиформному превра­щению а - Fe * Fe. Точка Е (1147°С) характеризует предельную растворимость углерода (2, 14%) в y-Fe. Кристаллизация сплавов на­чинается при достижении температур, соответствующих линии лик­видус АВСД, а конец затвердевания - по достижении температур со­ответствующих линии солидус AHJECF. Верхний левый угол диа­граммы характеризует аллотропическое превращение а(8) у - Fe при высоких температурах. В интервале температур 1392-1539°С а- Fe нередко обозначается, как 8 -Fe. До точки Кюри (768°С) железо
ферромагнитно; выше парамагнитно. В системе Fe-ЕзС различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы - феррит и аусте- нит, цементит и графит.

/, " С 1600

Феррит- твердый раствор углерода в or-Fe. Атомы углерода располагаются в центре граней куба, в вакансиях, на дислокациях. Предельная растворимость углерода в феррите при 20°С «0, 006%, 727°С = 0, 02%, в интервале 1392-1539°С = 0, 1%. В смеси с другими фазами феррит устойчив ниже линии GSK на диаграмме (рис. 6.6) в доэвтектоидных сталях, серых и ковких чугунах. Чистый феррит пла­стичен, имеет небольшую прочность и твердость, магнитен. < т_й = =250 МПа, а, а = 120 МПа, д= 50%, ц/= 80%, НВ 800-900 МПа.

Аустенит - твердый раствор углерода в ^-Fe. Предельная рас­творимость углерода в аустениге 2, 14% при 1147°С. Атомы углерода располагаются в центре элементарной ячейки и дефектных областях кристалла. Повышенная растворимость углерода в аустените обу­словлена большим объемом и числом пор в кристаллической решетке ^-Fe. Аустенит устойчив в железоуглеродистых сплавах при t > 121°С. Легирование его Mn, Cr, Si, Mo и В повышает устойчи­вость аустенита при охлаждении вплоть до комнатной температуры и
определяет возможность получения закалочных структур - бейнита и мартенсита, при большой толщине проката. Прочность и твердость аустенита в 2, 5-3 раза больше феррита при той пластичности и пре­деле текучести; он легко наклёпывается, обладает большим темпера­турным коэффициентом теплового расширения.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом - кар­бид железа (Fe₃C), содержащий 6, 67% С, имеет сложную ромбиче­скую решетку с плотной упаковкой атомов. Цементит является мета- стабильной фазой, претерпевающей изменения при легировании и термической обработке сплавов. Различают первичный цементит, выделяющийся при кристаллизации из жидкого расплава и вторич­ный и третичный цементиты, выделяющиеся при распаде аустенита и феррита. Твердость цементита в 3-4 раза больше аустенита и в 9-10 раз - феррита.

Графит - стабильная фаза, выделяющаяся при медленном ох­лаждении сплава и наличии графитизирующих элементов Si, Ni, Си, А1 и других включений, служащих графитными зародышами. Графит имеет слоистое строение, малую прочность и электропроводность, мягок и хрупок.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2, 14%, называют сталью, содержащие больше 2, 14% С-чугуном. Принятое раз­граничение связано с предельной растворимостью углерода в аусте- ните. Стали после затвердевания не содержат легкоплавкой эвтектики -ледебурита (точка С на диаграмме состояния), характерной для чугуна при содержании углерода 4, 3%. При высоком нагреве стали имеют структуру чистого аустенита. На диаграмме состояния (рис. 7.6) область его существования ограничена линиями JESGN. Линия GS соответствует началу выделения феррита, линия CD - первичного, a ES - вторичного цементита. Линия PSK соответствует распаду ау­стенита и образованию эвтектоидной структуры перлита при концентрации углерода в сплаве 0, 8%. Линия PQ показывает измене­ние растворимости углерода в низкотемпературном а-феррите и со­ответствует началу выделения из феррита третичного цементита. Существенное влияние на качество структуры и свойства стали име­ют термическая и термомеханическая обработка сплавов в темпера­турных областях, расположенных по обе стороны линий PSK и GSE. В зависимости от процентного содержания углерода железноуглеро- дистые сплавы имеют следующие наименования:

- техническое железо С < 0, 02%,

- доэвтектоидные стали С = 0, 02-0, 8%,

- эвтекгоидные стали С = 0, 8%,

- заэвтектоидные стали С = 0, 8-2, 14%,

- доэвтектические чугуны С = 2, 14-4, 3%,

- эвтектика - ледебурит С = 4, 3%,

- заэвтектические чугуны С = 4, 3-6, 67%.

Сплавы железа с углеродом после окончания кристаллизации имеют различную структуру, но одинаковый фазовый состав; при температурах ниже 727°С они состоят из феррита и цементита. Су­ществует определенная связь между типом диаграммы, пластичными и литейными свойствами сплавов. Твердые растворы имеют низкие литейные свойства и склонность к образованию рассеянной пористо­сти и трещин. Для получения высоких литейных свойств концентра­ция компонентов в сплавах должна превышать их предельную рас­творимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу. Поэтому чугуны обладают лучшими литейными свойствами, чем стали. Для обеспечения пластичных свойств сплавов концентра­ция компонентов поэтому не должна превышать их предельной рас­творимости при эвтектической температуре.