Расчёт количества структурных составляющих и фаз

Лабораторная работа № 6

ДИАГРАММА Fe–С И СТРУКТУРА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Цель работы

 

Изучить теорию процессов, происходящих в железоуглеродистых сплавах при охлаждении и нагреве; научиться определять по диаграмме состояния Fe – С фазовые и структурные состояния сталей и чугунов.

 

Теоретические основы

Процесс кристаллизации сплавов и связанные с ним закономерности строения сплавов изучают по диаграммам состояния. Диаграммы состояния –это графические изображения, показывающие в условиях равновесия фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и химической концентрации компонентов.

При очень медленном охлаждении сплавов, начиная с температуры жидкого состояния, все фазовые превращения в них протекают равновесно благодаря тому, что процессы диффузии успевают изменять химический состав взаимодействующих фаз в строгом соответствии с диаграммой состояния. Такое охлаждение принято называть равновесным. Сплавы же после такого охлаждения, соответственно, находятся в равновесном состоянии и характеризуются равновесной структурой.

Стали и чугуны имеют в своем составе кроме железа и углерода и другие элементы – примеси, которые практически мало влияют на диаграмму состояния, поэтому для понимания процессов происходящих при нагреве и охлаждении сталей и чугунов, используется двойная диаграмма состояния Fe-С (железо – углерод). Полностью (до 100% углерода) диаграмма Fe-С не имеет практического применения, поэтому используется только часть диаграммы – до химического соединения Fe₃C (цементит) (рис. 1.1.)

 

Рис. 1.1. Диаграмма состояния железо – углерод (Fe-С) или железо – цементит

(Fe-Fe₃C)

Критические точки сплавов

Критическая точка – температура, при которой в сплаве происходят фазовые превращения. Критические точки определяют по кривым охлаждения сплавов.

В зависимости от характера превращения критические точки имеют собственные имена: ликвидус, солидус, сольвус (табл. 1.1) и др.

Каждая точка диаграммы состояния характеризует строго определенный состав сплава при соответствующей температуре. Точка А (1539 °С) отвечает температуре плавления железа, точка D (≈ 1250 °С) – температуре плавления цементита, точки N (1392 ^оС) и G (910 °С) соответствуют полиморфному превращению Feα↔Feγ.

 

Таблица 1.1

Виды критических точек сплавов

 

Название точки (обозначение)	Фазовое превращение при охлаждении (нагревании)	Примечания
Ликвидус	L↔ТВ Начало выпадения твердой фазы в жидком расплаве (конец расплавления твердой фазы)	Для чистых компонентов и эвтектических сплавов точки ликвидус и солидус совпадают
Солидус	L↔ТВ Конец выпадения твердой фазы в жидком расплаве (начало расплавления твердой фазы)
Сольвус (точка вторичной кристаллизации)	ТВ↔ТВ + ТВII Выпадение вторичной фазы в результате снижении растворимости компонентов сплава в твердом состоянии	Вторичная фаза представляет собой химическое соединение АnBm
Точка Кюри (точка магнитного превращения)	Приобретение ферромагнитных свойств твердым веществом	Не связано с перекристаллизацией. Ni – 360 °C Fe – 768 °C Co – 1150 °C
Точка полиморфного превращения (точка перекристаллизации)	ТВa ↔ТВβ Переход высокотемпературной аллотропической формы в низкотемпературную (переход низкотемпературной аллотропической формы в высокотемпературную)	Для сплавов перекристаллизация проходит в интервале температур

 

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния следующая: В – 0,51% С в жидкой фазе, находя-щейся в равновесии с δ -ферритом (Fe_δ(C)) и аустенитом (Feγ(C)), при перитектической реакции и при 1499 ^оС; Н – 0,1% С в δ - феррите при 1490 ^оС; J – 0,16% C – в аустените-перитектике при 1490 ^оС; Е – 2,14% предельное содержание в аустените при 1147 °С; S – 0,8% С в аустените при реакции эвтектоидного превращения 727 °С; Р – 0,02% С – предельное содержание в феррите (Fe_α(C)) при 727 °С.

Линия, соединяющая точки АВСD на диаграмме, – линия ликвидус. Выше этой линии все железоуглеродистые сплавы находятся в жидком состоянии. Линия АHJECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии и при дальнейшем охлаждении происходят только процессы, связанные с изменением растворимости углерода в Fe _α и Fe _γ, а также процессы, которые обусловливаются аллотропическим (полиморфным) превращением железа.

Линия АВ указывает температуру начала кристаллизации δ- феррита из жидкого сплава; линия ВС – температуру начала кристаллизации аустенита; линия CD – температуру начала кристаллизации первичного цементита. При достижении температуры 1147°С ECF (эвтектики) состав жидкой фазы любого сплава, расположенного между точками E и F диаграммы, будет соответствовать точке C (4,3% С). При этой температуре оставшаяся часть жидкой фазы состава 4,3% углерода кристаллизуется с образованием эвтектики – механической смеси кристаллов аустенита и цементита, называемой ледебуритом.

Ниже линии GS происходит полиморфное превращение аустенита в феррит.

Линия SE является линией насыщения и показывает, как изменяется растворимость углерода Fe _γ с изменением температуры. Вследствие уменьшения растворимости углерода в Fe _γ при понижении температуры из пересыщенного аустенита будет выделяться вторичный цементит Ц_II.

Линия PSK 727 °C является линией эвтектоидного превращения. При этой температуре аустенит (А_s) состава точки S (0,8% C) распадается с образованием перлита (П_s): А_s→ П_s→ (Ф + Ц).

 

 

Таблица 1.2

Значения точек на диаграмме железо – цементит

 

Обозначение точки на диаграмме	Температура °С	Концентрация углерода %
А – температура плавления чистого железа
Н – предельная концентрация углерода в высокотемпературном феррите		0.1
N – температура аллотропического превращения железа
D – температура плавления цементита		6.67
Е – наибольшая концентрация углерода в аустените		2.14
С – точка эвтектики		4.3
G – температура аллотропического превращения железа
Р – предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите		0.02
S – эвтектоидная точка		0.8

 

Превращение в диаграмме Fe–Fe₃C

Линия HJB характеризует перитектическое превращение (рис. 6.6), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. В (0,5% С) и высокотемпературного феррита концентрации т. Н (0,1% С) образуется одна фаза – аустенит концентрации т. J (0,16% С).

 

Ж_в= Ф_н–A_j.

 

Линия ECF характеризует эвтектическое превращение (рис. 1.3), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. С (4,3% С) кристаллизуется механическая смесь двух фаз – аустенита концентрации, т. Е (2,14% С) и цементита: Ж_с–А_е+Ц.

Эвтектическая механическая смесь носит название «ледебурит» и имеет концентрацию т. С (4,3% С). Как и все превращения, эвтектическое идет при остановке температуры (т.1–1) и заканчивается при кристаллизации всей жидкости.

Рис. 1.3. Область эвтектического превращения в диаграмме железо-цементит

 

Линия PSK характеризует эвтектоидное превращение (рис. 1.4), суть которого в том, что из аустенита концентрации т. S (0,8% С) обра-зуется механическая смесь двух фаз – феррита концентрации т. Р (0,02% С) и цементита: А–Ф_р+ Ц.

Механическая эвтектоидная смесь носит название «перлит» и имеет содержание углерода 0,8%. Как правило, в равновесном состоянии в сталях перлит имеет пластинчатое строение (чередующиеся пластины феррита и цементита). Эвтектоидное превращение идет с остановкой температуры до исчезновения аустенита (рис. 1.4, сплав 1, т, 11'). Наиболее характерно образование эвтектоидной смеси перлита для сталей. Стали даже получили деление на эвтектоидные, доэвтектоидные и заэвтектоидные.

Рис. 1.4. Область эвтектоидного превращения в диаграмме железо-цементит

 

 

Как ранее было отмечено, в технически чистом железе находится не более 0,02% С, что и определяет специфику формирования его структуры. Из диаграммы Fe – Fe₃C видно (рис. 1.5), что эвтектоидного превращения для такого рода сплавов не происходит. Из аустенита при охлаждении начинает выделяться феррит (сплав I, т.1–2; сплав II, т.3–4). Разница феррита и сплавов только в количестве растворенного углерода. Если углерода менее 0,01%, то структура феррита остаётся неизменной вплоть до комнатной температуры. Если же углерода более 0,01% и до 0,02%, то при пересечении при охлаждении линии PQ растворимость углерода в феррите падает (рис. 1.5, сплав II) и углерод выделяется по границам зёрен феррита в виде включений Ц_ΙΙΙ(цементита третичного).

 

 

Рис. 1.5. Ферритная область диаграммы Fe – Fe₃C

 

Процесс выделения Ц_ΙΙΙ из феррита характерен для всех железоуглеродистых сплавов, имеющих в структуре феррит, просто его уловить в других структурах практически невозможно вследствие его объединения с другими видами цементита.

Последовательность образования равновесной структуры

 

На примере сплава, содержащего 0,5% С, рассмотрим последова-тельность протекания фазовых превращений, образующих в конечном счете равновесную структуру, предполагая его охлаждение с температур жидкого состояния равновесным. Схема кривой охлаждения показана на рис. 1.6. Итак, до температуры 1 следует простое охлаждение жидкого сплава. От точки 1, лежащей на линии ликвидуса, начинается образование кристаллов аустенита. Их количество растет и при температуре в точке 2 процесс кристаллизации заканчивается. Далее последует простое охлаждение зерен аустенита.

t, ° C L L+ g g g+α α p +g S →(α+Fe3C) α+(α+Fe3C) Время τ 4׳

 

Рис. 1.6. Схема кривой охлаждения сплава (0,5% С) и образования

его равновесной ферритно-перлитной структуры

 

По достижении температуры точки 3 (рис. 1.6) посредством перестройки ГЦК решетки в ОЦК решетку аустенит начинает превращаться в феррит. Это происходит практически одновременно в каждом зерне аустенита. Причем, концентрация углерода в образующемся феррите, в соответствии с его природой, определяется кривой PG диаграммы состояния. Поскольку в интервале температур 3–4 в аустените появляется и количественно растет ферритная составляющая с явно меньшим содержанием растворенного углерода, чем в анализируемом сплаве, концентрация углерода в убывающем количественно аустените увеличивается. Ее изменения описываются кривой GS диаграммы (рис. 1.6).

В итоге, при температуре точки 4 в пределах границ каждого первичного зерна аустенита в равновесии окажутся феррит состава точки P и остаток аустенита состава точки S.

Последующий отвод тепла нарушит устойчивость остатка аустенита и он претерпит диффузионное эвтектоидное превращение в перлит по схеме:

ЭФ g^S → (α + Fe₃C).

 

Процесс совершается с выделением тепловой энергии и поэтому протекает на отрезке изотермы 4-4′ (рис. 1.6). Охлаждение ниже точки 4′ практически не изменит образовавшейся структуры. Она состоит из феррита и перлита.

Подобная структура типична для любого доэвтектоидного сплава. Причем по мере увеличения концентрации углерода монотонно растет количество перлитной составляющей и убывает количество ферритной составляющей. При содержании углерода, равном 0,8%, сплав имеет чисто перлитную структуру (рис. 1.7, а).

В заэвтектоидных сплавах их равновесное охлаждение ниже сольвусаES сопровождается образованием вторичного цементита, образующего оболочку вокруг первичного аустенитного зерна. Затем аустенит превращается в перлит. Поэтому любой заэвтектоидный сплав со структурой из зерен перлита, окаймленных оболочкой вторичного цементита. Под микроскопом вторичный цементит виден в форме сетки (рис. 1.7, б).

 

 

Рис. 1.7. Схемы структур эвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) стали

 

 

Расчёт количества структурных составляющих и фаз

 

В качестве примера рассмотрим расчёт весового количества структурных составляющих и фаз с помощью правила отрезков в заэвтектоидной стали с 0,4 % углерода при 600 °С (рис. 6.13).

Содержания структурных составляющих определяются последова-тельно по мере их образования в процессе охлаждении сплава с применением правила отрезков для двух сосуществующих фаз или структурных составляющих по коноде A₁K₁C₁ и A₂K₂C₂. Величину отрезков будем измерять в процентах углерода. Считаем, что концентрация в точке P 0,02% углерода.

 

 

Количество структурных составляющих в точке K₁с содержанием углерода 0.7 % и температурой 850 ⁰С:

 

 

Определим структурный состав в точке K₂ c 0.4 % С и температурой 600 ⁰ С.

Cтруктурная составляющая

 

 

П

 

.

Вывод: диаграмма железо-цементит позволяет определить фазовый состав