Диаграмма Fe-C, Металоведение

Концентрация углерода в характерных точках диаграммы  железо-цементит и линии трехфазного равновесия дана в таблицах 1 и 2.

 

Таблица 1 – Концентрация углерода в характерных точках диаграммы.

Индекс линии	Температурный интервал, 0С	Интервал концентраций углерода, %	Основные свойства
А	1539	0,00	Точка затвердевания чистого железа
В	1499	0,51	Состав жидкой фазы при перитектическом  равновесии с d-ферритом и аустенитом
С	1147	4,30	Состав жидкой фазы при эвтектическом  равновесии с аустенитом и цементитом
H	1499	0,10	Предельное содержание углерода в d-феррите. Состав феррита при перитектическом равновесии с жидкостью В и аустенитом J
J	1499	0,16	Состав аустенита при перитектическом  равновесии
Е	1147	2,14	Предельное содержание углерода в  аустените. Состав аустенита при  эвтектическом равновесии с жидкой фазой  и цементитом
S	727	0,80	Состав аустенита при эвтектоидном равновесии с ферритом и цементитом
P	727	0,02	Предельное содержание углерода в  феррите при эвтектоидном равновесии с аустенитом и цементитом
Q	Комнатная	0,006	Предельное содержание углерода в  феррите при комнатной температуре

Таблица 2 – Линии трехфазного равновесия

Индекс линии	Температура равновесия	Фазы, находятся в равновесии	Название превращения	Взаимодействие фаз
HУB	1499	ЖВ + dH + AJ	Перитектическое	LB + dH = gJ
EСF	1147	ЖС + АЕ + ЦР	Эвтектическое	LC = gЕ + Fe f
E’С’F’	1153	ЖС + АЕ +Гр	Эвтектическое	LC =gЕ + C
PSK	727	АS + ФР + ЦК	Эвтектоидное	gS = aP + Fe3 C
P’S’K’	738	АS + ФР + Гр	Эвтектоидное	gS’ = aP’ + С

 

Построение  кривой охлаждения сплава заданной концентрации с использованием диаграммы

Формирование фаз или  структур в сплавах рассмотрим по диаграмме состояния.

Проследим за формированием структур сплава с содержанием углерода 1,8 % при медленном охлаждении с 1600⁰ С.

Сплав до температуры 1470⁰ С (т. 1) находится в жидком состоянии. Кристаллизация его начинается при 1470⁰ С с выделением из жидкого раствора кристаллов аустенита. По мере охлаждения сплава концентрация компонентов в аустените изменяется согласно линии (красной) от т. 1 к т. 2, а в жидкости – согласно линии ВС от т. 1 к т. 2, что можно записать следующим образом:

                             Ж_(1-2) ® А_(1-2)

Кристаллизация сплава заканчивается  в точке 2 (1340⁰ С). В интервале температур 1340 – 975⁰ С (точки 2, 3). Сплав охлаждается, не претерпевая никаких изменений. При охлаждении сплава ниже 975⁰ С (точка 3) аустенит с концентрацией углерода 1,8 % становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и выделяется в виде цементита вторичного. Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 975 до 727⁰ изменяется согласно линии ES от точки 3 к точке S:

                                     А_(8-S) ® Ц_II

При температуре 727⁰ С (точка 4) в сплаве происходит эвтектоидное превращение. 

С понижением температуры сплава ниже 727⁰ С растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного:

                                     Ф_(р-Q) Ц_III

Однако выделяющийся цементит третичный в структуре  стали металлографически не различается, т.к. сливается с цементитом эвтектоида. В структуре сплава с концентрацией углерода 1,8 % при комнатной температуре наблюдаются зерна перлита, окаймленные тонкой сеткой цементита вторичного.

5. С помощью диаграммы состояния железо-карбид железа определите температуру полной и неполной закалки для стали 45 и дайте краткое описание микроструктуры и свойств стали после каждого вида термической обработки.

 

Марка стали 45

Классификация: Сталь конструкционная углеродистая качественная

Применение: вал-шестерни, коленчатые и распределительные  валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки и другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностной  термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность

 

Химический состав в % стали 45 

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0.42 - 0.5	0.17 - 0.37	0.5 - 0.8	до   0.25	до   0.04	до   0.035	до   0.25	до   0.25	до   0.08

 

 

 Закалкой называется фиксация при комнатной температуре высокотемпературного состояния сплава. Основная цель закалки – получение высокой твердости, прочности и износостойкости. Для достижения этой цели стали нагревают до температур на 30 – 50^ОС выше линии GSK (рис. 5), выдерживают определенное время при этой температуре и затем быстро охлаждают.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5 Диапазон оптимальных  температур при различных видах  термообработки

 

По температуре нагрева  различают полную и неполную закалку. Полная закалка осуществляется из аустенитной  области. После охлаждения с критической скоростью закалки у всех углеродистых сталей образуется структура мартенсита. Полной закалке подвергают изделия из доэвтектоидных сталей (сталь 45), при этом исключается образование мягких ферритных включений.

Рис. 6 Выбор оптимальных температур закалки для стали 45 (а) и проведения закалки (б)

Неполная закалка –  закалка из промежуточных, двухфазных областей (А + Ф), (А+Ц_II), для стали 45 температура ниже 750⁰ С. В результате охлаждения с критической скоростью в доэвтектоидных сталях образуется структура Ф + М, а в заэвтектоидных – М + Ц_II. Неполной закалке подвергают инструмент из заэвтектоидной стали, поскольку наличие включений вторичного цементита увеличивает твердость закаленного инструмента, т.к. цементит по твердости превосходит мартенсит.

Таким образом для  стали 45 – полная закалка произойдет при  температурах от 780 до 830 ⁰С.

 

6. В результате термической  обработки рессоры должны получить  высокую упругость. Для их изготовления  выбрана сталь 65С2ВА:

а) расшифруйте состав и определите группу стали по назначению и структуре в равновесном состоянии;

б) назначьте режим  термической обработки, приведите  подробное его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали;

в) опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

 

Характеристика стали  65С2ВА.

Марка: 65С2ВА

Заменитель: 60С2А, 60С2ХА

Классификация: Сталь конструкционная рессорно-пружинная

Применение: ответственные и высоконагруженные пружины и рессоры.

 

 

Химический состав в % материала 65С2ВА

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	W	Cu
0.61 - 0.69	1.5 - 2	0.7 - 1	до   0.25	до   0.025	до   0.025	до   0.3	0.8 - 1.2	до   0.2

 
        Сталь называется легированной, если в ее составе содержатся специально введенные элементы или повышенные количества постоянно присутствующих марганца или кремния.

Наиболее распространенными  легирующими элементами являются: хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, цирконий, ниобий, бор, медь, алюминий, азот, редкоземельные элементы. По названию содержащихся легирующих элементов стали называют: хромистыми, марганцовистыми, кремнистыми, хромоникелевыми, хромоникель-молибденовыми и т.д.

По содержанию легирующих элементов стали условно разделяют:

- на низколегированные, содержащие в сумме менее 5% всех легирующих элементов;

- среднелегированные, содержащие в сумме до 20% всех легирующих элементов;

- высоколегированные, содержащие в сумме более 20% всех легирующих элементов. В легированных сталях сумма легирующих элементов не может превышать 55%, т.к. при дальнейшем ее увеличении изменяется основа сплава.

       Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической реакции и влияют на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны так же, как и железо, взаимодействовать с углеродом, образуя карбиды, а так же взаимодействовать друг с другом или с железом, образуя промежуточные фазы – интерметаллиды.

      В сплавах железа с никелем, марганцем и кобальтом - область «открывается», т.е. в определенном интервале температур существуют твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура А3 при определенной концентрации легирующего элемента понижается ниже нуля. На рис. 4.1. показан участок диаграммы Fe – легирующий элемент с открытой - областью. В сплавах с концентрацией легирующего элемента, равной или превышающей точку b, ГЦК решетка устойчива при температуре 20-25⁰ С; такие сплавы называют аустенитными сталями. Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода в Feg, но и любые твердые растворы на основе Feg.

        По отношению к углероду легирующие элементы разделяют на: не образующие карбиды, которые, в свою очередь, подразделяются на графитизирующие – кремний, алюминий, медь;  и нейтральные – кобальт и никель карбидообразующие – марганец, хром, молибден, вольфрам, ниобий, ванадий, цирконий и титан (элементы перечислены в порядке возрастания их карбидообразующей способности).

 

Рис 7 Схема состояния железо- легирующий элемент группы никеля

 

При введении в сталь  карбидообразующего элемента в небольшом  количестве (десятые доли; для несильных  карбидообразователей - 1-2%) образование карбида этого элемента чаще не происходит. В этом случае атомы легирующего элемента частично замещают атомы железа в решетке цементита; образуется легированный цементит, мало отличающийся по свойствам от обычного цементита.

Легирующие элементы существенно влияют на концентрацию углерода в эвтектоиде (перлите) и максимальную растворимость углерода в аустените (точки S и Е диаграммы). Такие элементы, как никель, кобальт, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, сдвигают точки S и Е влево, т.е. в сторону меньших концентраций углерода. Очевидно, что в присутствии этих легирующих элементов ледебурит в структуре сплава появится при меньших концентрациях углерода, чем в нелегированных железоуглеродистых сплавах. Например, в стали с 10-11% Cr ледебурит появляется в структуре при содержании углерода около 1%. В связи с этим легированные стали, содержащие ледебурит, классифицируют как ледебуритные.

Рассмотрим, какой будет  структура различных легированных сталей в равновесном состоянии  с учетом указанных закономерностей.

Пример 1. Сталь 65С2ВА содержит небольшое количество (около 1% карбидообразующего элемента марганца – и не образующий карбидов кремний). Часть марганца израсходуется на легирование цементита, а остальная часть этого элемента и кремний пойдут на легирование феррита. В связи с изменением состава феррита и цементита изменяется состав эвтектоида в сторону меньших концентраций углерода, следовательно, в структуре стали 65С2ВА количество перлита увеличивается по сравнению со сталью 65.

        Сталь 65С2ВА относится к перлитному классу.

 Для изготовления пружин, упрочняемых термической обработкой (закалкой и отпуском), применяют углеродистые (65, 75) и легированные (60С2А, 50ХФА, 60С2Н2А и др.) стали, для рессор — только легированные стали, для пружин, работающих в агрессивных средах,— нержавеющие  стали  30X13, 40X13,  12Х18Н10Т и др.

Стали 65С2ВА (60С2ХФА, и 60С2Н2А) используют для крупных пружин ответственного назначения. Детали из этих сталей малосклонны к росту зерна и прокаливаются в сечениях до 50 мм. Особенно высокими качествами обладает никелькремнистая сталь 60С2Н2А, легко отжигающаяся на структуру зернистого перлита, имеющая высокую пластичность.