2020-10-11
1297
(системы Fe - Fе3С)
1. Железоуглеродистые сплавы (ж/у) подразделяют на две группы: стали, содержащие до 2,14 % С, и чугуны.
Диаграмма железо — углерод, как ясно из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит — Fe3C.
Следовательно, рассматривая диаграмму железо — углерод в участке от железа до цементита, компонентами системы можно считать железо и цементит.
Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная (рис. 1), характеризующая превращения в системе Fe – Fe3C (цементит), и стабильная, характеризующая превращение в системе Fe – C. Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, твердые растворы (феррит, аустенит), химическое соединение (цементит) и свободный углерод в виде графита. Структурные составляющие – механические смеси (ледебурит, перлит).
Жидкий раствор (Ж) существует выше линии ликвидус, где при растворении углерода в железе образуется жидкая фаза.
Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α -железе, имеет низкие твердость и прочность, но хорошую пластичность. При температуре 1499 °С достигается максимальная растворимость углерода в α-железе (0,1%). При снижении температуры растворимость углерода в α-железе уменьшается: от 0,02% при температуре 727°С до 0,01% при температуре 600°С, при комнатной температуре - 0,006 %.
Механические свойства: σв = 300 МПа; δ= 40%; ψ = 70%; KCU = 2,5МДж/м2; твердость — 80- 100 НВ.
Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ -железе, имеет большие твердость и прочность (160 - 200 НВ при 20 - 25 °С), чем феррит при достаточно хорошей пластичности. Максимальная растворимость углерода в γ-железе достигает 2,14% при температуре 1147°С. При снижении температуры растворимость углерода в γ -железе уменьшается и при 727 °С составляет 0,8%.
Цементит (Ц) - карбид железа Fe3C, образуется при содержании углерода 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую решетку. Он обладает высокими твердостью (800 НВ) и хрупкостью. На диаграмме состояния «железо-цементит» цементит обозначен с цифровыми индексами: Ц1 - цементит первичный, кристаллизующийся из расплава по линии DC;
Ц11 - цементит вторичный, выделяющийся из аустенита по линии ES;
Ц111 - цементит третичный, выделяющийся из феррита по линии PQ.
Графит — углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.
Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид) тонких пластинок цементита с более толстыми пластинками феррита. Он образуется при распаде аустенита с содержанием углерода 0,8% при температуре 727 °С.
Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σв = 800... 900 МПа; σ0,2 = 450 МПа; δ ≤ 16%; твердость — 180... 220 НВ.
Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, кристаллизующаяся из жидкой фазы с содержанием углерода 4,3% при температуре 1147°С. Этот ледебурит называют высокотемпературным или аустенитным (ЛА температурная область его существования от 1147 до 727 °С).. При температуре 727 °С аустенит превращается в перлит, а ледебурит ниже этой температуры представляет собой механическую смесь перлита и цементита. Поэтому этот ледебурит называют низкотемпературным, или перлитным (ЛП). Ледебурит любой модификации (ЛА и ЛП) содержится в чугунах и отсутствует в сталях. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.
2. Диаграмма состояния Fe - Fе3С (см. рис. 1) характеризует фазовый состав и превращения в системе Fe - Fе3С. Особенность диаграммы — наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в таблице №1.
Рис. 1. Диаграмма состояния «железо-цементит»;
Таблица 1 – Характерные точки диаграммы состояния Fe - Fе3С
| Обозначение точки | Т,ºС | С,% | Обозначение точки | Т,ºС | С,% |
| A | 1539 | 0 | C | 1147 | 4,3 |
| H | 1499 | 0,1 | F | 1147 | 6,67 |
| J | 1499 | 0,16 | G | 911 | 0 |
| B | 1499 | 0,51 | P | 727 | 0,02 |
| N | 1392 | 0 | S | 727 | 0,8 |
| D | 1260 | 6,67 | K | 727 | 6,67 |
| E | 1147 | 2,14 | |||
Точка А определяет температуру плавления чистого железа, a D — температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.
Превращения в сплавах системы Fe - Fе3С происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно, цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFKQ). Выделяющийся из жидкости цементит называют первичным, из аустенита — вторичным, из феррита — третичным. Соответственно на диаграмме состояния CD — линия первичного цементита, ES — линия вторичного цементита; PQ — линия третичного цементита.
В системе Fe - Fе3С происходят три изотермических превращения:
– перитектическое превращение на линии HJB (1499°С)
;
– эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °С)
;
– эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С)
.
3. Классификация ж/у сплавов по равновесной структуре (диаграмме «железо-цементит»)
На «стальном» участке диаграммы «железо-цементит» (углерода до 2,14 %) точка S (углерода 0,8%) называется эвтектоидной точкой, а линия PSK—- эвтектоидной линией. На «чугунном» участке диаграммы точка С (углерода 4,3%) называется эвтектической точкой, а линия ЕС — эвтектической линией.
В связи с этим ж/у сплавы в зависимости от структуры при комнатной температуре подразделяются на:
o углеродистые стали:
o доэвтектоидные (углерода до 0,8%), структура — Ф и П;
o эвтектоидные (углерода 0,8%), структура — П;
o заэвтектоидные (углерода от 0,8% до 2,14%), структура — П и Ц11.
o белые чугуны:
o доэвтектические (углерода от 2.14% до 4,3%),
структура — П + Ц11 + Л.
o эвтектические (углерода 4,3%), структура — Л.
o заэвтектические (углерода от 4,3% до 6,67%), структура —Л+ Ц1
Обратите внимание: при комнатной температуреструктуры у сплавов разные, а фазы одинаковые — Ф и Ц. Например: доэвтектический чугун со структурой П + Ц11 + Л.
П — Ф + Ц, Ц11 — Ц, Л — П (Ф + Ц) + Ц.
3. Пример практического применения диаграммы
(просто распечатать и вклеить; объяснение - на лекции)
Задача: По диаграмме состояний железо – цементит опишите, какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода (2,6 % С). Охарактеризуйте этот сплав и определите для него при заданной температуре (650 0С) количество, состав фаз и процентное соотношение.
Сплав с 2,6% углерода относится к доэвтектическим белым чугунам.
1. При медленном охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры в сплаве будут происходить следующие структурные и фазовые превращения:
· до температуры т очки 1 (рис.2, а) – сплав находится в однофазном состоянии – жидкий раствор с концентрацией 3,6 %углерода, охлаждается быстро (система бивариантна – С=К+1-Ф=2+1-1=2).
· т очка 1 – лежит на линии ликвидус и указывает температуру начала кристаллизации сплава.
· т.1 – т.2 – происходит выделение кристаллов аустенита переменного состава; по мере охлаждения жидкий раствор обогащается углеродом по линии 1 - С, твердый раствор – по линии 1* - Е. Сплав находится в двух фазном состоянии, вариантность системы С=1, охлаждается замедленно (рис.3, б), т.к. выделяется скрытая теплота кристаллизации.
· т.2 – т.2* – = 1147 0С обогащенный жидкий раствор имеет концентрацию точки С (4,3 %С); происходит кристаллизация эвтектики (ледебуритное превращение): ЖС + АЕ ® Л (АЕ+ЦF) + АЕ
В равновесии три фазы (Ж, А, Ц), система нонварианта (С= К+1-Ф=2+1-3=0), на кривой охлаждения изотермическое превращение показано горизонтальным участком (рис.3, б).
· т.2* – заканчивается первичная кристаллизация сплава, его структура состоит из первичных кристаллов аустенита и ледебуритной эвтектики. Структурно свободный и входящий в эвтектику аустенит имеет максимальное количество углерода в растворе – 2,14 %.
· т.2* – т.3 – по мере охлаждения сплава растворимость углерода в аустените изменяется по линии ЕS и к температуре точки 3 принимает значение 0,8 %С. Углерод выделяется в виде цементита вторичного (как из избыточного, так и эвтектического аустенита). Структура сплава: А+ЦII+ЛА .
· т.3 – т.3* – = 727 0С – обедненный до 0,8 %С аустенит в свободном и связанном состоянии претерпевает эвтектоидное превращение в перлит:
АS ® П (ФР+Ц). На кривой охлаждения (рис.3, б) горизонтальный участок (в равновесии три фазы: аустенит, феррит, цементит).
· т.3* – т. комн. – структура доэвтектического белого чугуна состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита, представляющего собой смесь перлита и цементита (П+ЦII+ЛП). Фазы сплава – феррит и цементит (Ф и Ц).
2. Определим химический состав и массовую долю фаз заданного сплава при температуре 600 0С.
Для этого через заданную точку а на сплаве проведем коноду вс (рис. 3. а).
В точке а в равновесии находятся фазы:
1). Феррит(Ф) концентрации точки в – 0,015 % С;
2). Цементит (Ц) концентрации точки с – 6,67 % С.
Количество фаз определяем по правилу отрезков:
количество Ф == ас
количество Ц ва
В процентном отношении: QФ = ас / вс х 100% = 2,97 / 6,66 х 100% = 44,59%;
QЦ = ва / вс х 100% = 3,69 / 6,66 х 100% = 55,41%.
