Основные равновесные фазы и структурные составляющие железо – - углеродистых сплавов

     Равновесное состояние в сплавах соответствует минимальному значению свободной энергии. Это состояние достигается при достаточно длительном нагреве или при очень медленном охлаждении сплава.

     В зависимости от температуры и содержания углерода, железоуглеродистые стали образуют следующие фазы и структурные составляющие:

1.Жидкая фаза – жидкий раствор углерода в железе.

2.Твердые фазы:

     2.1. Феррит (Ф) - твёрдый раствор углерода в Fea. Имеет ОЦК решётку. При 20 0С нормальная растворимость 0,006%. Максимальная растворимость при 727°С составляет 0,02% С. Он обладает самой низкой прочностью из всех структурных составляющих, но очень пластичен и вязок.

s_в=250МПа; НВ80; d=50%; y=80%.

     2.2. Аустенит (А) – твердый раствор углерода в Feg. Имеет ГЦК – решётку. Предельная растворимость углерода в Feg при t=1147°С составляет 2,14%; он более твердый и прочный по сравнению с ферритом НВ160; d=40…50%, s_в=?

     2.3. Цементит (Ц) – химическое соединение Fe₃C – карбид железа. В нём содержится 6,67% С. Цементит обладает высокой твёрдостью НВ³800, очень низкой пластичностью, хрупкостью.

     В зависимости от условий существования различают цементит первичный, который образуется из жидкости при затвердевании расплава;

вторичный – образуется при распаде аустенита;

третичный – образуется при выделении углерода из феррита.

     2.4. Перлит (П)- эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8%С; образуется при 727°С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения. Он обладает высокой прочностью по сравнению с аустенитом и ферритом.

s_в=800МПа; d=15%; НВ160…200.

     2.5. Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, образуется из жидкого расплава при t=1147°С при содержании 4,3%С. Твёрдость НВ600…700, хрупок. Т.к. при t ниже 727°С аустенит превращается в перлит, то ледебурит при таких температурах (<727°С) состоит из перлита и цементита.

Сплавы с такой структурой обладают хорошими литейными свойствами.

Феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит называются структурными составляющими железо – углеродистых сплавов.

Условные обозначения структур.

Диаграмма состояние железо –цементита

Fe – Fe₃C

1400

t°С

тв.

t

ж

Диаграмма состояния строится для характеристики структуры сплава в зависимости от состава и температуры. Она представляет собой графическое изображение состояния сплавов. Диаграмма состояния строится в координатах температура – состав. Построение проводят с помощью метода термического анализа. Сущность метода заключается в построении кривых охлаждения для сплавов с различной концентрацией углерода. Кривые охлаждения выражают критическую зависимость между изменением температуры (сплава) при охлаждении и временем, в течение которого эти изменения происходят. На кривой охлаждения будут точки перегибов, которые соответствуют изменениям состояния сплава при охлаждении.

b

a

Температуры, при которых происходит изменения состояния сплава называется критическими температурами, а соответствующие им точки – критическими точками. (t=1400°С – критическая), а и b –критические точки

 

Для получения диаграммы строится множество кривых охлаждения для сплавов с разной концентрацией углерода. Для этих сплавов получаем критические точки. Затем критические точки наносятся на общую диаграмму в координатах Т, ⁰С – состав. Критические точки соединяются, получаются линии диаграммы. Таким образом получили диаграмму железо-углерод. Чем больше сплавов с различной концентрацией углерода исследовано, тем точнее будет построена диаграмма состояния.

 

 

Характерные фазовые точки диаграммы.

т. А 1539°С – температура плавления чистого железа.

т. G 910°С – равновесная температура полиморфного превращения Fea®Feg

т. С 1147°С – эвтектическая или ледебуритная точка.

т. S 723°С – эвтектоидная или перлитная точка.

6,67% - точка содержания С в Fe₃C (т.D)

4,3% - точка содержания С в ледебурите.

2,14% - точка максимальн. содержан. углерода в аустените при t=1147°С (т.E).

0,8% - точа максимального содержания углерода в перлите.

0,02% - макс. содержание углерода в феррите при t=723°С (т.P)

0,006% - макс. содержание углерода в феррите при t=20°С (т.Q)

 

Основные линии фазовых превращений.

1. Линия ACD – линия ликвидус. Выше неё сплав находится в жидком состоянии.

2. Линия ACF – линия солидус. Ниже нее сплав находится в твердом состоянии.

3. Линия ECF – ледебуритная эвтектическая линия.

4. линия PSK – перлитная эвтектоидная линия.

5. линия ES – линия переменной растворимости С в аустените.

6. линия Р 0,006 – линия переменной растворимости в феррите.

7. линия GS и линия GP – линии начала и конца превращения аустенита в феррит соответственно.

Основные фазовые области.

Различают однофазные и двухфазные области.

1. Однофазные области.

     - жидкий раствор С в Fe

     - аустенитная область (AESG)

     -ферритная область (0,006 PG)

2. Двухфазные области.

     - жидко – твёрдая (Ж+А; Ж+Ц)

     - А+Ц (ECFKS) в этой области существуют равновесные структуры А+Ц; А+Л; Л; Л+Ц.

     - Ф+Ц (PSK 6,67 0,006) в этой области существуют равновесные структуры Ф+Ц; Ф+П; П; П+Ц.

     Механические свойства сплава определяются микроструктурой. Зная структуру сплава при комнатной температуре и свойства структурных составляющих, можно судить о свойствах сплава.