Содержание
Структуры сталей при различных температурах
Стали, как указывалось выше, являются сплавами железа с углеродом.
Структуры углеродистых сталей в зависимости от содержания в них углерода, а также структурные превращения, которые происходят в этих сталях при нагреве и медленном охлаждении, изучаются по диаграмме Fe—С.
На рисунке приведена часть
диаграммы Fe—С, характеризующая структуры сталей. Диаграмма дана в несколько упрощенном виде.
Прежде чем рассматривать структурные превращения в сталях, выясним, какие структуры в них встречаются при комнатных температурах и при нагреве.
Линии диаграммы определяют
температуры, при которых в сталях происходят какие-либо структурные, превращения.
Феррит
Феррит
— твердый раствор углерода в железе
а. При комнатной температуре в феррите может растворяться не более чем 0,006% углерода.
Если содержание углерода встали больше чем 0,006%, то, кроме феррита, в структуре стали имеются другие структурные составляющие.
Феррит обладает небольшой прочностью и твердостью, но высокой пластичностью. Он имеет хорошие магнитные свойства.
Цементит
Цементит
— химическое соединение железа с углеродом, отвечающее формуле Fe3C. Содержание углерода в цементите составляет 6,67% и не изменяется во всем интервале температур, вплоть до температуры плавления.
Цементит является самой твердой структурной составляющей стали. Он имеет высокую прочность, но чрезвычайно
хрупок.
Перлит
Перлит
— механическая смесь феррита и цементита (после травления эта структура имеет перламутровый отлив).
Перлит бывает пластинчатым (цементит в виде пластинок) и зернистым (цементит в виде зернышек). Твердость перлита выше, чем у феррита, но меньше, чем у цементита.
Аустенит
Аустенит
(название дано в честь английского металловеда Аустена) — твердый раствор углерода в железе γ (модификация железа с гранецентрированной кристаллической решеткой).
Максимальная растворимость углерода в железе γ составляет 2% при температуре 1130°.
Аустенит имеет невысокую твердость, обладает достаточно высокой прочностью наряду с хорошей пластичностью, большой стойкостью против коррозии, высоким электросопротивлением. Он немагнитен.
Диаграмма железоуглеродистых сплавов
Вернемся к вышеприведенной диаграмме, так линия
АС показывает, при каких температурах при охлаждении начнется процесс кристаллизации в стали. Линия АЕ показывает, при каких температурах кристаллизация закончится, т.е. сплав
затвердеет.
Из диаграммы видно, что чистое железо кристаллизуется при постоянной температуре (1539°).
Сталь с содержанием С=0,8% кристаллизуется не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Точка 1 определяет температуру начала кристаллизации, точка2
— температуру конца кристаллизации стали с содержанием С = 0,8%.
Таким образом, при температурах ниже линии АЕ сталь будет находиться в твердом состоянии и структура стали будет аустенит.
При этом весь углерод, который в стали имеется, будет растворен в аустените.
Структура аустенита сохранится в стали и при последующем охлаждении до температур, определяемых линиямиGS
иSE.
§
| |||
|
..
Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539o С ± 5o С.
Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – σв = 250МПа, предел текучести – σт = 120МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ = 50%, а относительное сужение – ψ = 80%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0С).В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).
3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С.Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.
Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.Фазами железоуглеродистых сплавов являются жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.2. Феррит (Ф) Feα (C) – твердый раствор внедрения углерода в α-железо.Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727o С ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки..При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит (δ) (Feδ (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J)Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности – σв = 300МПа) и пластичен (относительное удлинение – δ = 30%), магнитен до 768o С.3. Аустенит (А) Feγ (С) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо.Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.
Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147o С (точка Е).Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ = 40..50%), парамагнитен.При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.4. Цементит – характеристика дана выше (в компонентах железоуглеродистых сплавов).В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.
Цементит является наиболее твердой фазой железоуглеродистых сплавов (НВ 800). При нагреве в определенных условиях цементит может распадаться с образованием железа и углерода в свободном состоянии в виде графита. Способность цементита к разложению положена в основу получения чугунов.На диаграмме состояния железа-цементит линия ABCD – линия липидус, а AHIECF – солидус.На диаграмме состояния есть две области, прилегающие к ординате, на которых откладывают температуру компонента железа, область феррита и область аустенита. Вообще на диаграмме можно выделить 4 фазы: жидкость, феррит, аустенит и цементит.Ферит– твердый раствор углерода в a-железе. Феррит имеет ОКЦ решетку. Чисто ферритные области: AHN (1539оС – 1392оС) (высоко температурный феррит) и AGPQ (911оС и до комнатной).Аустенит– твердый раствор углерода в g-железе. Имеет ГЦК решетку. Область чистого аустенита MIESG.На диаграмме видно три горизонтальных линии, при температуре которых протекают нонвариантные рекации (С=0).
По линии HIB при Т=1499оС протекает перетектическая реакция, в результате которой жидкость состава точки B взаимодействует с кристаллами феррита в точке Н с образованием кристаллов аустенита в точке I.По линии ECF при Т=1147оС протекает эвтектическая реакция, в результате которой жидкость в точке C распадается на аустенит в точке E и цементит. Мех-ая смесь аустенита и цементита в интервале T=1147 оС – 727оС получила название ледебурит.По линии PSK при Т=727оС протекает эвтектоидная реакция, в результате которой аустенит в точке S распадается на феррит в точке P и цементит. Феррита+цементит=перлит.Эвтектика отличается от эвтектоида тем, что 1-ая протекает с участием жидкой фазы. 2-ая явл. результатом распада твердого рас-ра. В связи с тем, что при т-ре меньше 727оС аустенита быть не может, ледебурит видоизменяется и в интервале T=727оС – 20оС ледебурит – мех-ая смесь из перлита и цементита.
На диаграмме видны линии ограниченной растворимости (PQи SE).При Т=20оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,01% (в точке Q). При Т=727оС количество С, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,02% (в точке P). При охлаждении избыток атомов С должен выделиться из ОЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита третичного. Аналогичное наблюдается и при растворении С в ГЦК решетке, если при Т=727оС (точка S) С составляет 0,8%, то при Т=1147оС (точка Е) – 2,14%. При охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ГЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита вторичного. По химическому составу цементит первичный, вторичный и третичный не отличаются. Это для того, чтобы отличить цементит, выделившийся из жидкости, из аустенита и из феррита.СплавыFe+Cс содержанием С до 2,14% называют сталь. Стали: доэвтектоидные, с содержанием С до 0,8% (феррит + перлит), эвтектоидные – 0,8% (перлит), заэвтектоидные–от 0,8% до 2,14% (перлит + цементит II).
Сплавы Fe с Сс содержанием С более 2,14%называют чугунами: доэвтектоидные–от 2,14% до 4,3% (перлит + ледебурит + цементит), эвтектический –4,3% (ледебурит), заэвтектический – от 4,3% до 6,67% (ледебурит + цементит I).
su 2017-2020 — Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста. Что представляет собой феррит, цементит, перлит, мартенсит, аустенит
Различные микроскопические составляющие железа и стали, которые обычно встречаются:
1. Феррит
2. Центит
3. Перлит
4. Мартенсит
5. Аустенит
6. Троостит
7. Сорбит.
Другие составляющие включают три аллотропные формы почти чистого железа, графита и шлака.
Фазовая диаграмма железа и стали
Подробнее: Введение в диаграмму равновесия железо-углерод | Структуры в Fe-C Диаграмма
1.
Феррит:
Железо, которое содержит мало или не содержит углерода, называется ферритом. Он очень мягкий и пластичный, металлурги называют его альфа-железом. Феррит в некоторой степени присутствует в большом количестве сталей, особенно в сталях с низким содержанием углерода, а также в мягком чугуне. Феррит не затвердевает при быстром охлаждении. Он образует более мелкие кристаллы при быстром охлаждении от ярко-красного тепла.
2. Цементит:
Это определенный карбид железа (Fe 3 C), чрезвычайно твердый, более твердый, чем обычная закаленная сталь или стекло. Цементит обычно увеличивается с увеличением доли присутствующего углерода, и считается, что твердость, а также хрупкость чугуна обусловлены этим веществом.
Содержит 6,6% углерода и бывает в виде сетки, шаровидной или массивной формы, в зависимости от состава стали и термической обработки, которой она подвергается. Магнитен при температуре ниже 25°C. Его присутствие в железе или стали снижает предел прочности при растяжении, но повышает твердость и режущие свойства.
3. Перлит:
Перлитом называют смесь, состоящую примерно из 87,5% феррита и 12,5% цементита. Он состоит из чередующихся слоев феррита и цементита в стали. При большом увеличении видно, что феррит и цементит располагаются в виде чередующихся слоев или пластин.
Под микроскопом поверхность выглядит как перламутр, отсюда и название перлит. Толщина чередующихся пластин и расстояние между ними определяются скоростью охлаждения, медленное охлаждение дает более грубую структуру, чем быстрое охлаждение. Перлит – это эвтектоид стали.
Было обнаружено, что доля перлита увеличивается от нуля в случае чистого безуглеродистого железа до 100%, или насыщения, для стали, содержащей 0,90% углерода, таким образом, 0,3% углеродистой стали будет состоять примерно из 33% перлита и остального феррит. Характерной чертой мягких сталей является то, что они содержат феррит и перлит, а твердость увеличивается с увеличением доли перлита. Твердые стали представляют собой смесь перлита и цементита.
4. Мартенсит:
Твердая хрупкая масса волокнистой или игольчатой структуры, основной компонент закаленной стали. Число пирамиды Виккерса может достигать 900 при исходном содержании углерода 0,9 процента. Установлено, что мартенсит образуется при быстрой закалке высокоуглеродистой стали от температуры, несколько превышающей максимальную температуру критического интервала. Он не такой прочный, как аустенит. Отличается от аустенита тем, что является магнитным.
5. Аустенит:
Это твердый раствор железа и углерода, который стабилен только в определенном диапазоне состава и температуры и не обладает магнитными свойствами. При охлаждении ниже 700 °С он полностью превращается в магнитный феррит и цементит, образуя эвтектоидный перлит вместе со свободным ферритом или свободным цементитом, в зависимости от того, меньше или больше содержание углерода 0,87%.
Образуется при быстрой закалке углеродистой стали с содержанием углерода более 1,1% примерно от 1000°C.
Количество аустенита увеличивается с долей углерода, от 0 до 1,1 процента углерода, до 70 процентов при содержании углерода от 1,6 до 1,8 процента. Аустенитные стали не упрочняются обычными методами термической обработки и немагнитны.
6. Троостит:
Это структура из стали (состоящая из очень мелкодисперсного карбида железа, известного как «альфа-железо»), полученная либо отпуском мартенситной стали при температуре от 250 до 450°C, либо путем закалки стали со скоростью, недостаточной для полного подавления точки термического изменения. Структуру, полученную последним методом, правильнее было бы назвать очень мелким перлитом.
7. Сорбит:
Структура, состоящая из равномерно распределенных частиц карбида железа в массе феррита, образующаяся при отпуске полностью закаленной стали при температуре от 550 до 650°C. Сорбитовая структура характеризуется прочностью и высокой степенью ударной вязкости.
Электронная почта
Печать
Твитнуть
Последние сообщения
ссылка на Сосуды под давлением — детали, конструкция, применение, типы, материал, схема
Сосуды под давлением — детали, конструкция, применение, типы, материал, схема
Введение в Сосуды под давлением Сосуды, резервуары и трубопроводы, которые транспортируют, хранят или получают жидкости, называются сосудами под давлением.
Сосуд под давлением определяется как сосуд с давлением…
Продолжить чтение
ссылка на Шарнирное соединение — детали, схема, расчет конструкции, применение
Шарнирное соединение — детали, схема, расчет конструкции, применение
Шарнирное соединение
Шарнирное соединение используется для соединения двух стержней, находящихся под действием растягивающих нагрузок. Однако, если соединение направляется, стержни могут выдерживать сжимающую нагрузку. Шарнирное соединение…
Продолжить чтение
Аустенит Мартенсит Бейнит Перлитные и ферритовые структуры
Аустенит и феррит
Первоначально аустенит использовался для описания железоуглеродистого сплава, в котором железо находилось в гранецентрированной кубической (гамма-железной) форме. В настоящее время этот термин используется для обозначения всех сплавов железа на основе гамма-железа. Аустенит в железоуглеродистых сплавах обычно проявляется только при температуре выше 723°С и ниже 1500°С, в зависимости от содержания углерода.
Однако его можно поддерживать при комнатной температуре за счет добавок в сплав, таких как никель или марганец. Точно так же феррит был термином, первоначально использовавшимся для железоуглеродистых сплавов, в которых железо имело объемно-центрированную кубическую (альфа- или дельта-железо) морфологию, но теперь используется для обозначения компонента в сплавах железа, который содержит железо в форма альфа- или дельта-железа. Альфа-феррит образуется при медленном охлаждении аустенита с сопутствующим отторжением углерода путем диффузии. Это может начаться в диапазоне температур 900°C до 723°C, а альфа-феррит проявляется до комнатной температуры. Дельта-феррит представляет собой высокотемпературную форму железа, образующуюся при охлаждении низких концентраций углерода в железоуглеродистых сплавах из жидкого состояния перед превращением в аустенит. В высоколегированных сталях дельта-феррит может сохраняться до комнатной температуры.
Аустенит/дельта-феррит (предоставлено IIW)
Феррит (фото TWI № 0711)
Альфа-феррит (F) и перлит (P) (фото TWI № 0709)
Когда сплавы железа с углеродом превращаются из аустенита при охлаждении , предел растворимости углерода в феррите обычно превышается.
В условиях медленного охлаждения образуются карбиды, а при более высоких скоростях охлаждения углерод может быть захвачен твердым раствором.
Нажмите здесь, чтобы посмотреть наши последние технические подкасты на YouTube .
Перлит
Перлит обычно образуется при медленном охлаждении сплавов железа и может начаться при температуре от 1150°C до 723°C, в зависимости от состава сплава. Обычно это пластинчатая (чередующаяся пластина) комбинация феррита и цементита (Fe 3 C). Он образуется при эвтектоидном распаде аустенита при охлаждении за счет диффузии атомов С, когда феррит и цементит растут смежно, а С осаждается в виде Fe 3 C между пластинами феррита на продвигающейся границе раздела, оставляя параллельные пластины Fe и Fe 3 C, который представляет собой перлит.
Мартенсит (фото TWI № 0717)
Мартенсит
Мартенсит образуется в стали, когда скорость охлаждения из аустенита достаточно высока.
Это очень твердый компонент из-за углерода, который находится в твердом растворе. В отличие от распада на феррит и перлит, превращение в мартенсит не связано с диффузией атомов, а скорее происходит в результате внезапного бездиффузионного процесса сдвига. Этот термин не ограничивается сталями, но может применяться к любому компоненту, образованному в процессе сдвига, который не включает диффузию атомов или изменение состава. Мартенситное превращение обычно происходит в диапазоне температур, который можно точно определить для данной стали. Превращение начинается при начальной температуре мартенсита (M s ), и продолжается при дальнейшем охлаждении до тех пор, пока не будет достигнута конечная температура мартенсита (M f ). M s может возникать в широком диапазоне, от 500°C до температуры ниже комнатной, в зависимости от прокаливаемости стали. Диапазон от M s до M f обычно составляет порядка 150°C. Было предложено много формул для прогнозирования начальной температуры мартенсита.
Большинство основано на составе стали, и некоторые из них перечислены в следующей таблице:
| Имя автора предложения | Формула |
|---|---|
| Savage (1942) | M s (°C) = 500 — 300C — 35Mn — 20Cr — 15Ni — 10Si — 10Mo |
| Грейндж и Стюард (1946) | M s (°C) = 538 — 341C — 39Mn — 39Cr — 19Ni — 28Mo |
| Стивен и Хейнс (1956) | M с (°C) = 561 — 474C — 33Mn — 17Cr — 17Ni — 21Mo |
| Эндрюс I (1965) | M s (°C) = 539 — 423C — 30,4Mn — 12,1Cr — 17,7Ni — 7,5Mo |
| Эндрюс II (1965) | M s (°C) = 512 — 453C +217C2 — 16,9Ni +15Cr — 9,5Mo — 71,5CMn — 67,7CCr |
| Берес и Берес (1993) | Для 0,03<С<0,35, M с (°C) = 454 — 210C + 4,2/C — XNi -YMn — ZCr(экв.) — 21Cu Где X, Y, Z — факторы, изменяющиеся в зависимости от соответствующего элементного состава Cr (экв. |
) = Cr + Mo + 1,5Si + W + V + Al Берес и Берес [1] заявили, что их формулы были в пределах 40°C от фактического M s во всех исследованных случаях, тогда как другие формулы имели более широкие полосы рассеяния. Совсем недавно модели M s были разработаны с использованием нейронных сетей, обученных на экспериментальных данных и с использованием дополнительных данных для проверки и тестирования модели, можно определить разумное приближение M s . Такие модели доступны в сети [2] и может использоваться с информацией о составе. Нейронные сети, основанные на взаимосвязи между химическим составом, температурой превращения и кинетикой при непрерывном охлаждении, позволяют рассчитать диаграмму CCT для стали. Они также учитывают влияние легирующих элементов на кривые фазового превращения, а также на результирующую твердость. Также возможно количественно предсказать микроструктуру стали, т.е. процентное содержание феррита, перлита и бейнита и т.
д. [3]
Также применимы модели, сочетающие кинетику мартенситного превращения с механикой с учетом развития микроструктуры. Анализ конечных элементов позволяет оценивать локальные поля напряжений и деформаций, а также отслеживать кинетику мартенситного превращения и развивать понимание критических параметров, таких как влияние размера аустенитного зерна на результирующую мартенситную микроструктуру. [4]
Экспериментальные исследования на месте, основанные на синхротронном излучении, также могут дать ценные данные для поддержки компьютерных моделей, поскольку изучение таких бездиффузионных фазовых превращений в режиме реального времени будет иметь решающее значение для расширения понимания микроструктурного развития и связанной с ним структуры. -имущественные отношения. [5]
Бейнит
Бейнит образуется при более низких скоростях охлаждения, чем при образовании мартенсита, и при более высоких, чем при образовании феррита и перлита.
Есть две формы бейнита, известные как верхний и нижний бейнит.
Верхний бейнит (фото TWI № B1d21)
Нижний бейнит (фото TWI № B1d7)
Верхний бейнит обычно образуется при температуре от 550 до 400°C. Существует несколько предложенных механизмов образования, основанных на содержании углерода и температуре превращения стали, что приводит к несколько разным морфологиям. Низкоуглеродистые стали имеют тонкие бейнитные пластины, зародыши которых возникают в результате сдвигового механизма на границах аустенитных зерен. Растворимость углерода в бейнитном феррите значительно ниже, чем в аустените, поэтому углерод выбрасывается в аустенит, окружающий рейки бейнитного феррита. Когда концентрация углерода в аустените достаточно высока, цементит зарождается в виде дискретных частиц или прерывистых стрингеров на границах раздела феррит/аустенит. По мере увеличения содержания углерода цементитные нити становятся более сплошными, а при высоком содержании углерода бейнитные ферритовые пластины становятся более тонкими, а цементитные стрингеры более многочисленными и непрерывными.
Структура может больше напоминать перлит и называется «перистым» бейнитом.
Нижний бейнит обычно образуется при температуре от 400 до 250°C, хотя точная температура перехода между верхним и нижним бейнитом зависит от содержания углерода в стали. Превращение зарождается, как и верхний бейнит, за счет частичного сдвига. Более низкая температура этого превращения не позволяет так легко протекать диффузии углерода, поэтому карбиды железа образуются примерно под углом 50—60° к продольной оси основной рейки, соприкасаясь с бейнитным ферритом. При низком содержании углерода карбид может выделяться в виде дискретных частиц, следуя по пути границы раздела феррит/аустенит. Однако общий механизм образования нижнего бейнита в основном не зависит от содержания углерода. Внешний вид нижнего бейнита сильно напоминает мартенсит, но нижний бейнит образуется в результате сочетания процессов сдвига и диффузии, а не только сдвига.
Ссылки
- Beres L и Beres Z: «Neue Beziehung zur Bestimmung der Martensitbildungstemperatur der Stahle», Schweisstechnik (Wien), 47 (12), декабрь 1993 г.
