При медленном охлаждении

Диаграмма состояния показывает, как указывалось ранее, изменение равновесного состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации. Равновесным является такое состояние, при котором наблюдается минимум свободной энергии. Практически равновесное состояние достигается тогда, когда нагрев и охлаждение проводят с очень малыми скоростями.

По структуре в медленно-охлажденном состоянии углеродистые стали делятся на три группы: 1) эвтектоидная (С=0,8 %); 2) доэвтектоидные (С от 0,02 до 0,8 %); 3) заэвтектоидные (С от 0,8 до 2,14 %).

Рассмотрим фазовые превращения в сталях при охлаждении.

1) Доэвтектоидная сталь с содержанием С=0,6 % (I) (рис. 5.4).

С, %

а

b

Время

 

Рис. 5.4. Кривые охлаждения углеродистых сталей

 

 

Обозначим на диаграмме критические точки данного сплава, то есть температуры, при которых в сплаве происходят фазовые превращения:

а –1: простое охлаждение Ж;

1–2: ®(происходит кристаллизация аустенита, при этом концентрация жидкой фазы меняется по линии ликвидус (1–2¢), а аустенита – солидус (1¢–2);

2–3: простое охлаждение А.

При переохлаждении ниже точки 3 из аустенита начинает выделяться феррит:

3–4: А_3–S ® ;

точка 4: а) при достижении этой точки сталь состоит из Ф_Р и А_S;

б) происходит при этой температуре эвтектоидное превращение:

А_S → Ф_Р+Ц_К;

в) после окончания его сталь состоит из Ф_Р и П(Ф_Р+Ц_К).

Следовательно, любая доэвтектоидная сталь имеет структуру Ф+П(Ф+Ц).

2) Заэвтектоидная сталь с содержанием С=1,5 % (II) (см. рис. 5.4).

b–5: простое охлаждение Ж

5–6: ®

6–7: простое охлаждение А.

Ниже точки 7 у данного сплава аустенит становится пересыщенным. Например, при температуре, соответствующей точке d, в аустените углерода может находиться в равновесии в количестве, соответствующем точке е (меньше 1,5 %). Поэтому при медленном охлаждении от точки 7 до точки 8 этот избыточный углерод должен постепенно выделяться из кристаллической решётки аустенита. Но так как в данной системе нет фазы, представляющей собой чистый углерод, то этот избыточный углерод выделяется в виде самой высокоуглеродистой фазы – цементита:

7–8: А_7–8 → Ц_II.

Этот цементит называют вторичным. Первичным называют цементит, который выделяется из жидкой фазы.

Таким образом, линия ES показывает предельную растворимость углерода в аустените в интервале температур 1147…727 °С.

При достижении точки 8 (t=727 °С) сталь состоит из двух фаз: аустенита и вторичного цементита:

точка 8: а) А_S ,Ц_II .

При этой температуре происходит эвтектоидное превращение аустенита (PSK)

б) А_S → Ф_Р + Ц_К , (Ф_Р + Ц_К – перлит).

После окончания этого превращения сплав состоит из:

в) П(Ф_Р +Ц_К), Ц_II.

Ниже точки 8 превращений нет. Следовательно, конечная структура стали (С=1,2 %): П(Ф + Ц) + Ц_II.

Таким образом, любая заэвтектоидная сталь после медленного охлаждения при комнатной температуре имеет структуру П(Ф + Ц) + Ц_II.

Аналогичным образом можно рассмотреть формирование структуры эвтектидной стали, которая состоит из П(Ф + Ц).

Если линия, соответствующая данному сплаву, пересекает наклонную линию диаграммы, то в этой точке на кривой охлаждения будет перегиб, а если она пересекает горизонтальную линию, то будет горизонтальная площадка.

На рис. 5.5 показаны схемы структур сталей в равновесном состоянии.

 

Рис. 5.5. Схемы структур сталей в равновесном состоянии:

а – техническое железо; б…г – доевтектоидные стали (б – 0,2 % С; в – 0,4 % С;

г – 0,6 % С); д – эвтектоидная сталь (0,8 %С); е – заэвтектоидная сталь (1,2 % С).

Светлые зерна – феррит; темные участки – перлит; светлая сетка

на рис. е – вторичный цементит