Low carbon steels in the phase diagram

The iron-carbon phase diagram shows the dependence of the phase composition of steel on temperature: austenite, ferrite or mixtures thereof. В чистом железе аустенит превращается в феррит при охлаждении до 912 ºS. Температура, при которой аустенит начинает превращаться в феррит, традиционно называется температурой А3.

Эвтектоидная точка сталей

Добавление углерода в железо приводит к снижению температуры А3. Максимальное снижение этой температуры – 727 ºС – достигается при содержании углерода 0,77 %. Эта точка на фазовой диаграмме железо-углерод называется эвтектоидной точкой or, иногда, перлитной точкой. В этой точке фазовой диаграммы происходит эвтектоидная реакция, то есть реакция, при которой одна твердая фаза превращается в две твердых фазы. Become, которые имеют содержание углерода менее 0,77 % are called доэвтектоидными сталями or низкоуглеродистыми сталями. Эвтектоидную температуру 727 ºС традиционно обозначают А1.

Растворимость углерода в феррите и аустените

Become, которые являются 100%-ным аустенитом занимают центральную темную область фазовой диаграммы на рисунке 1. Become, которые являются ферритом, должны иметь в координатах «температура – содержание углерода» в узкой темной области на левом краю фазовой диаграммы. Максимальное содержание углерода, которое может раствориться в ферритном железе, составляет всего лишь 0,02 % и это происходит при эвтектоидной температуре 727 ºS. It means, что феррит по сути является чистым железом, так как он является чистым по отношению к углероду на 99,98 % и чище.

fazovaya-diagramma-nagrevPicture 1 - Part of the iron-carbon phase diagram
для доэвтектоидныхнизкоуглеродистых – steels
(содержание углерода менее 0,77 %)

Аустенит может растворять углерода намного больше, чем феррит. При эвтектоидной температуре аустенит растворяет 0,77 % carbon, what in 38 раз больше, чем может содержать феррит при той же температуре. Аустенит содержит больше углерода, чем феррит, потому что гранецентрированная кристаллическая структура аустенита имеет больше места между атомами железа, чем объемно-центрированная кристаллическая структура феррита.

Доэвтектоидные стали – steel 40

Рассмотрим заштрихованную область фазовой диаграммы на рисунке 1, которая обозначена γ+α. Эта область, представляет собой множество координат «температура – содержание углерода», при которых сталь является смесью феррита и аустенита.

Представим себе высокотемпературный микроскоп, в который мы рассматриваем полированную поверхность стали с содержанием углерода 0,4 % – низкоуглеродистую сталь 40 – at a temperature 760 ºS. Поскольку точка с таким химическим составом и при такой температуре лежит в области γ+α, то сталь будет представлять собой смесь феррита и аустенита. Пример такой структуры показан внизу рисунка 1. Фазовая диаграмма дает также информацию о составе этих двух фаз. Аустенитные зерна должны иметь состав, который обозначен на фазовой диаграмме рисунка 2 буквой N, а феррит – состав, который обозначен буквой M.

fazovaya-diagramma-oxlazhdeniePicture 2 – Часть фазовой диаграммы железо-углерод и изменения
в микроструктуре низкоуглеродистой стали
при охлаждении стали 40 from 850 to 760 ºS

Охлаждение стали 40 – феррит по границам аустенитных зерен

В качестве иллюстрации полезности фазовой диаграммы рассмотрим следующий простой эксперимент. Сталь с содержанием углерода 0,4 % – низкоуглеродистую сталь 40 – сначала нагревают до температуры 850 ºС и выдерживают приней около 10 minutes. После этой короткой выдержки все зерна в этой стали будут являться чистыми гранецентрированными аустенитными зернами с содержанием углерода 0,4 %. Вид этой структуры в воображаемый высокотемпературный микроскоп показан слева на рисунке 2. Further, медленно снизим температуру стали до 760 ºS. Что случится с микроструктурой? Согласно фазовой диаграмме сталь после охлаждения должна быть двухфазнойсмесью аустенита и феррита. Experiments show, что феррит, который образуется из чистого аустенита при его охлаждении всегда находится на границах аустенитных зерен. Это показано на правой микроструктуре рисунка 2. Феррит образуется в виде нескольких α-зерен вдоль границ первичных аустенитных зерен.

Нагрев стали 40 – феррит в виде объемных зерен

Сравним микроструктуру справа на рисунке 2 и микроструктуру внизу на рисунке 1. Обе они являются смесью аустенитных и ферритных зерен с одинаковой объемной долей тех и других. Однако две эти микроструктуры сильно отличаются по распределению этих ферритных зерен. Микроструктура рисунка 1 обычно формируется при нагреве низкоуглеродистой стали от комнатной температуры до температуры 760 ºS.

Термическая обработка и микроструктура стали

Этот пример демонстрирует замечательное свойство сталей: микроструктура сталине только низкоуглеродистойконтролируется термической обработкой. А микроструктура сталей, in its turn, контролирует их механические свойства.

К микроструктуре стали обычно относят особенности зерен: их формы, размера, распределения и типа фазы. Note, что фазы, which are shown in the figures 1 and 2 exist only at high temperatures 760 ºS, not at room temperature. О фазах при комнатной температуре – отдельный разговор.

Source: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007