Стальной участок диаграммы состояния железо цементит

Обновлено: 22.01.2025

Железо:Тпл=1539ºС, две модификации Feα c ОЦК-решёткой, а=0,286 нм, существует до 910ºС и Feγ существует в диапазоне 910..1392ºС. Железо ферромагнитно при температурах ниже 768ºС (точка Кюри).

Углерод: элемент IV группы таблицы Д.И. Менделеева, с железом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение Fe3C.

Фазы: жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит, графит.

Феррит– твердый раствор углерода в Feα.

Аустенит – твердый раствор углерода в Feγ.

Цементит – Fe₃С (6,67% С) – карбид железа, решетка сложная ромбическая, высокая твердость, хрупок, Т_пл=1250˚С. Цементит - метастабильная фаза, при высокой температуре разлагается на железо и графит.

Графит – углерод в твердом состоянии. Графит – стабильная фаза, плотность - 2,5 г/см 3 , решетка гексагональная, слоистая, анизотропен, низкая твердость и прочность, высокая химическая стойкость. Графит присутствует в качестве самостоятельной фазы в серых чугунах

В реальных условиях охлаждения углерод в железоуглеродистых сплавах находится в метастабильной фазе в виде цементита Fe₃C. Диаграмма Fe-Fe₃C соответствует метастабильному равновесию системы железо-углерод.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния железо-цементит (метастабильная)

Основные критические точки и линии диаграммы (рис. 19):

точка А – температура плавления чистого железа 1539°С;

точка D – температура плавления цементита 1250°С;

точка G – 910°С (А₃) – температура полиморфного α↔γ превращения железа;

точка N – 1392°С (А₄) – температура полиморфного γ↔δ превращения железа;

ABCD – линия ликвидус;

AJECF – линия солидус;

ES – линия переменной растворимости углерода в аустените;

PQ – линия переменной растворимости углерода в феррите;

точка Е – предельная растворимость углерода в аустените (2,14% С);

точка Р – предельная растворимость углерода в феррите (0,02% С);

Превращения при охлаждении сплавов:

1. Кристаллизация начинается по линии ликвидус ABCD: по линии ВС из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита, а по линии СD – кристаллы первичного цементита Ц_I. Кристаллизация заканчивается на линии солидус AJECF.

2. Эвтектическое превращение. На линии ECF (1147°C) в точке С жидкая фаза кристаллизуется в эвтектику ледебурит – смесь двух твердых фаз, аустенита и цементита

Сплав со структурой ледебурита (4,3%С) называют эвтектическим. Сплавы с содержанием С < 4,3% называют доэвтектическими, их структура – аустенит+ледебурит. При содержании С > 4,3% – заэвтектическими со структурой ледебурит+цементит первичный.

3. Полиморфное превращение А®Ф происходит в сплавах с содержанием углерода менее 0,8%С. Начало превращения соответствует линии GS (А₃), конец превращения – линиям GP и PS.

4. Распад твёрдых растворов: аустенита с выделением цементита вторичного Ц_II идет по линии SE - линии переменной растворимости углерода в g-железе (А_cm) и феррита с выделением цементита третичного Ц_III по линии PQ - линии переменной растворимости углерода в a-железе.

5. Эвтектоидное превращение протекает при 727°C по линии PSK (A₁). Аустенит с содержанием углерода 0,8%С превращается в эвтектоид перлит

Перлит – это эвтектоидная смесь феррита с цементитом.

Сплав с концентрацией углерода 0,8%С и структурой перлита называют эвтектоидным. Сплавы с концентрацией углерода от 0,02% до 0,8%С – доэвтектоидные со структурой перлит+феррит. Сплавы с концентрацией углерода от 0,8% до 2,14%С – заэвтектоидные, их структура - перлит+цементит вторичный.

Рис.5.2. Микроструктуры железо – углеродистых сплавов в равновесном состоянии: а -техническое железо, б, в – доэвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,2% и 0,4% соответственно, г – эвтектоидная сталь, д, е – заэвтектоидная сталь, ж – доэвтектический белый чугун, з – эвтектический белый чугун, и – заэвтектический белый чугун

Ниже температуры 727°С во всех структурах вместо аустенита присутствует перлит. Фазовый состав всех сплавов ниже температуры 727°С одинаков: в равновесии находятся две фазы - феррит и цементит.

Структуры железоуглеродистых сплавов. «Стальной» участок диаграммы железо-цементит.

Cплавы с содержанием углерода менее 0,02% называют техническое железо. Структура таких сплавов после окончания кристаллизации состоит или из зерен феррита (при содержании углерода менее 0,006 %), или из зерен феррита и кристаллов цементита третичного (расположенных по границам зерен феррита), если содержание углерода от 0,006 до 0,02 %. Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02…2,14 % углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита. Они обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном состоянии. По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на доэвтектоидные от 0,02% до 0,8% углерода, структура феррит + перлит (Ф+П), эвтектоидные - 0,8% углерода, структура перлит (П), перлит может быть пластинчатый или зернистый, заэвтектоидные от 0,8% до 2,14% углерода, структура перлит + цементит вторичный (П + Ц[II]), цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита. По микроструктуре сплавов можно приблизительно определить количество углерода в составе сплава, учитывая следующее: количество углерода в перлите составляет 0,8 %, в цементите – 6,67 %. Ввиду малой ратворимости углерода в феррите, принимается, что в нем углерода нет.

Быстрорежущие стали, их термообработка, свойства, применение.

У быстрорежущей стали следующие свойства: Она обладает красностойкостью, т.е. не теряет твёрдость при больших скоростях резания, когда режущая кромка инструмента разогревается до 600°C; так же она довольно длительное время сталь будет выдерживать такую высокую температуру. Температура закалки около 1200 °C. Так как у быстрорежущей стали низкая теплопроводность, во избежание трещин, её нагревают двумя этапами. Во избежание обезуглероживания и окисления нагрев лучше проводить в соляных печах. Для закалки инструментов из быстрорежущей стали применяют: охлаждение в масле до 200 °C с последующим охлаждение на спокойном воздухе, охлаждение в струе вентиляторного воздуха. После закалки применяют трёхкратный отпуск. Механические свойства: сопротивление хрупкому разрушению, так как при высокой твердости разрушение всегда происходит по хрупкому механизму. Быстрорежущие стали имеют широкое применение в машиностроении: чаще всего режущий инструмент, метчики, резцы, свёрла, фрезы.

Ст3пс: Сталь обыкновенного качества, 3 – условный номер марки в зависимости от нормируемых показателей, пс – полуспокойная степень раскисления стали. Применение: фасонный и листовой прокаты, поковки.

08Х18Н12Т: 08 означает, что в стали содержится 0,08% углерода, Х18 - что содержится до 18% хрома, H12 – что содержится 12% никеля, Т – что содержится титан. Применение: трубы.

БрА9Ж3Л: Бр – бронза, А – бронза легированная алюминием, 9 означает, что содержание алюминия составляет 9%, Ж3 – бронза содержит 3% желаза. Применение: антифрикционные детали, детали арматуры

Полиморфные и магнитные превращения в металлах.

Полиморфные превращения в металлах происходят при температурах 911°C и 1392°C. При температуре ниже 911°C существует альфа железо с ОЦК решёткой. В интервале температур 911°C…1392°C устойчивым является гамма железо с ГЦК решёткой. Выше 1392°C железо имеет ОЦК решётку и называется бета железо или высоко температурное альфа железо. Магнитные превращения: Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, а затем резко, и при определённой температуре исчезают. Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

Кафедра «Материаловедение, литье и сварка» Методические указания к лабораторной работе «диаграмма железо-цементит. Структура сталей в равновесном состоянии»

специальности 151001 «Технология машиностроения»

направления 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»

Рассмотрены и утверждены на заседании кафедры МЛС

Протокол № 8 от 25.05.2010 г.

к. т. н., доцент Воздвиженская М. В.

Диаграмма железо-цементит. Структура сталей в равновесном состоянии

Цель работы:

Познакомиться с диаграммой состояния «железо‑цементит», фазами и структурами, образующимися в этой системе. Изучить структуру доэвтектоидных, эвтектоидной и заэвтектоидных сталей в равновесном состоянии.

1. Общие сведения

1.1. Диаграмма состояния «железо‑цементит»

Диаграмма состояния системы «Fe–C» занимает особое место в металловедении, так как она является базой для анализа формирования структуры самых распространенных промышленных сплавов – сталей и чугунов. Сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14 % углерода называют сталями, содержащие от 2,14 % до 6,67 % углерода – чугунами.

В сплавах железа с углеродом существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная – цементит и стабильная – графит. Поэтому различают две диаграммы состояния: метастабильную – «Fe – Fe₃С» и стабильную – «Fe – C». На диаграмме состояния «железо-цементит» даны фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до 6,67 % углерода, концентрация цементита изменяется от 0 % до 100 % (рис. 1).

На диаграмме «Fe – Fe₃С» концентрация углерода (по массе) для характерных точек следующая: Q – 0,006 %, P – 0,02 %, S – 0,8 %, E – 2,14 %, C – 4,3 %, L – 6,67 %.

Перитектический участок вверху слева диаграммы на горизонтали содержит слева направо точки H, J, B. Этот участок мало влияет на структуру и свойства сталей, поэтому его часто не изображают, оставляя только верхнюю точку – А.

Эвтектическая горизонталь ECF соответствует температуре 1147 °С. При данной температуре из жидкости состава С одновременно выделается аустенит состава Е и первичный цементит концентрации F; формируется эвтектика – ледебурит. Над этой горизонталью находится линия ликвидуса – AC и CD, первая соответствует началу выделения из жидкости аустенита, вторая – выделению из жидкости первичного цементита. К краю эвтектической горизонтали приходит линия солидуса AE, она соответствует полному затвердеванию расплава.

Рис. 1. Диаграмма состояния «Fe – Fe₃С»

Линию GS, соответствующую окончанию превращения феррита в аустенит при нагреве обозначают А_С3. При охлаждении аустенита и начале его превращения в феррит линию GS обозначают Аr₃.

Линия SE показывает начало образования в аустените вторичного цементита при охлаждении стали, т. е. это линия предельной растворимости углерода в аустените. Линия обозначается А_cm.

При температуре 727 °С происходит эвтектоидное превращение – это одновременное выделение двух твердых фаз из исходной твердой фазы: высокотемпературная фаза аустенит состава S распадается одновременно на цементит состава в точке E и феррит состава в точке P, температура сплава остается постоянной до окончания эвтектоидного превращения. Формируется эвтектоид – перлит, среднее содержание углерода в перлите составляет 0,8 %. Линию PSK называют – эвтектоидная горизонталь и обозначают – А_С1.

При концентрации углерода от 0 % до 0,8 % стали называют доэвтектодные стали, при концентрации углерода ровно 0,8 % – эвтектоидные стали, при большей концентрации от 0,8 % до 2,14 % – заэвтектоидные стали. Если углерода менее 0,02 %, то такой сплав называют техническим железом. Выделение третичного цементита при температурах ниже линии PQ, резко снижает пластичность стали по сравнению с чистым ферритом состава Q.

При температуре 1147 °С в системе «железо-цементит» образуется эвтектика, линия ECF – эвтектическая горизонталь. Эвтектику называют ледебурит. Ледебурит состоит из аустенита и цементита. Следует понимать, что аустенит, входящий в состав чугунов, как в первичных дендритах, так и в ледебурите, также распадается на феррит и цементит. Поэтому при температуре ниже 727 °С все сплавы углерода состоят из феррита и цементита. Чугуны, содержащие от 2,14 % до 4,3 % С называют доэвтектические чугуны, с концентрацией углерода ровно 4,3 % – эвтектические чугуны, с концентрацией углерода от 4,3 % до 6,67 % – заэвтектические чугуны.

1.2. Фазы и структуры в системе «железо‑углерод»

При атмосферном давлении железо может находится в двух модификациях: низкотемпературная модификация -Fe с ОЦК решеткой существует до 910 С, выше этой температуры образуется модификация -Fe, которая имеет ОЦК решетку. Углерод образует твердые растворы внедрения на базе полиморфных модификаций железа.

Феррит – твердый раствор углерода в -Fe (от лат. ferrum – железо). Феррит – малопрочная и пластичная фаза, так как представляет собой почти чистое железо, при комнатной температуре растворимость углерода в -Fe не превышает 0,005 %, при температуре 727 °С составляет 0,02 %.

Аустенит (по имени английского ученого Робертс-Аустена) – это высокотемпературная пластичная фаза с невысокой прочностью, представляет собой твердый раствор углерода в ‑Fe с ГЦК решеткой, при температуре 727 °С растворимость углерода в аустените составляет 0,8 %, предельная растворимость углерода в аустените достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. При медленном охлаждении аустенит распадается на перлит.

Цементит – карбид железа Fe₃С, фаза с высокой твердостью, но хрупкая. В обычных условиях кристаллизации в двойных сплавах железа с углеродом соединение Fe₃C является достаточно стабильным и может существовать без изменений как угодно долгое время. Но, при длительных выдержках в интервале температур 650 – 730 С или при введении графитизирующих добавок, соединение Fe₃C распадается с образованием графита и железа.

Перлит – это структура, которая образуется при эвтектоидном превращении аустенита при среднем содержании углерода 0,8 %; обычно перлит состоит из чередующихся тонких пластинок феррита и цементита, обладает средней прочностью и невысокой твердостью (рис. 2). Эвтектоидные колонии зарождаются на границах зерен аустенита, по окончании эвтектоидного распада на месте каждого аустенитного зерна оказывается несколько колоний перлита. Образование перлита – это диффузионный процесс: 0,8 % C в аустените за счет диффузии перераспределяются в соответствии с диаграммой состояния, 0,02 % C находится в феррите и 6,67 % C – в цементите. Полированная и протравленная поверхность шлифа приобретает перламутровый оттенок, поэтому эвтектоидная смесь феррита с цементитом получила название перлит (от лат. pearl – жемчужина).

Рис. 2. Микроснимок структуры (а) и схематический разрез (б) колонии перлита

Чем выше скорость охлаждения аустенита, тем мельче пластины эвтектоидной смеси, такие структуры получили отдельные названия сорбит и троостит, соответственно.

При дальнейшем увеличении скорости охлаждения диффузионный распад на феррито-цементитную смесь не успевает произойти. В результате бездиффузионного превращения аустенита образуется очень твердая, хрупкая фаза мартенсит с игольчатой структурой (рис. 3, а,б).

Рис. 3. Микроструктура аустенита (а) и мартенсита (б), 500

В соответствии с диаграммой состояния стали делятся на доэвтектоидные (до 0,8 % углерода), эвтектоидные и заэвтектоидные (свыше 0,8 % углерода). Эти группы отличаются структурой, свойствами и назначением.

Микроструктура доэвтектоидной стали с концентрацией углерода от 0 % до 0,005 % представляет собой феррит (рис. 4, а). Микроструктура доэвтектоидной стали с концентрацией углерода 0,2 % – 0,3 % представляет собой смесь зерен феррита и перлита, при повышении концентрации углерода до 0,45 % – 0,55 %, зерна феррита в виде хлопьев располагаются по границам исходного аустенитного зерна и окружают колонии перлита (рис. 4, б).

Эвтектоидная сталь с концентрацией углерода 0,8 % имеет структуру перлита (рис. 4, в), заэвтектоидная сталь с 1,1 % углерода представляет собой колонии перлита, окруженные по границам тонкой светлой сеткой вторичного цементита (рис. 4, г).

Рис. 4. Микроструктура феррита (а), доэвтектоидной стали с концентрацией углерода 0,45 % – 0,55 % (б), эвтектоидной стали с концентрацией углерода 0,8 % (в), заэвтектоидной стали с концентрацией углерода 1,1 % – 1,3 % (г), 500

СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛОНЕНИЯ РАБОТЫ

Образец 1. Сталь 20 (0,24 % С) – доэвтектоидная углеродистая конструкционная качественная сталь.

Микроструктура стали 20 в отожженном состоянии состоит из зерен феррита и перлита. Перлит занимает около 25 % площади шлифа (рис. 5). Сталь имеет невысокую прочность ( НВ 163).

Рис. 5. Микроструктура стали 20: феррит и перлит

Эта сталь относится к низкоуглеродистым, она пластичная, хорошо сваривается и штампуется. Для увеличения поверхностной прочности эту сталь цементуют (насыщают поверхность углеродом) и применяют для деталей небольшого размера, например, зубчатых колес, кулачков. За счет твердого поверхностного слоя резко возрастает износостойкость изделий, а сердцевина при этом становится пластичной и вязкой.

Образец 2. Сталь 60 (0,62 %) – доэвтектоидная углеродистая конструкционная качественная сталь. Это среднеуглеродистая термоулучшаемая сталь. Структура стали состоит из перлитных зерен, окруженных ферритной оторочкою. Перлит занимает около 75 % площади шлифа. В связи с большим содержанием углерода сталь 60 имеет более высокую твердость и прочность, чем сталь 20 ( НВ 240). Стали 55,60, 70 применяют в качестве рессорно-пружинных материалов. Термическая обработка состоит из закалки и среднего отпуска, структура троостит отпуска.

Образец 3. Сталь У8 (0,76 %) – эвтектоидная углеродистая инструментальная качественная сталь.

Сталь эвтектоидная и поэтому должна иметь чисто перлитную структуру. Однако фактическое содержание углерода 0,76 % немного меньше эвтектоидного, что проявляется в небольшом количестве светлых выделений феррита. На микроструктуре хорошо заметно, что перлит – сложная составляющая, состоящая из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Темные пластинки, видимые в перлите – тени, отбрасываемые пластинками цементита после травления. Поэтому при небольших увеличениях перлит кажется сплошной темной массой, хотя в действительности образующие его феррит и цементит являются светлыми. Эта сталь в отожженном состоянии имеет следующие свойства: НВ 250.

Сталь У8 – инструментальная сталь и подвергается термической обработке, состоящей из закалки и низкого отпуска, после которой она приобретает твердость НRC 62-64. Основное назначение стали – измерительный инструмент.

Образец 4. Сталь У12 (1,15 %) – заэвтектоидная углеродистая инструментальная качественная сталь.

Ее структура состоит из перлитных зерен, которые окружены светлой сеткой вторичного цементита. В отожженном состоянии сталь имеет следующие свойства: НВ 260.

Инструмент из этой стали подвергается закалке и низкому отпуску, сталь приобретает твердость HRC 63-65. Сталь применяют для измерительного инструмента и для режущего инструмента с температурой на режущей кромке не более 180 °С.

2. Анализ диаграммы состояния железо-цементит

Рассмотрим превращения в железоуглеродистых сплавах, содержащих до 2,14% С, - техническом железе и углеродистой стали, охватываемых "стальной" частью диаграммы состояния железо- цементит.

В сплавах, содержащих углерода менее 0,1% (сплав 1, см. рис.2), при охлаждении из жидкого состояния последовательно протекают следующие превращения (рис.4): в интервале температур 1₁-2₁ – первичная кристаллизация с образованием феррита, в интервале 3₁-4₁ фазовая перекристаллизация с образованием аустенита. В интервалах 2₁-3₁ и ниже точки 4₁ происходит охлаждение продуктов превращений, соответственно феррита и аустенита. Уравнения фазовых реакций и схематическое изображение структур в указанных интервалах температур показано на рис.4.

Рис.4. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 1

При содержании углерода 0,16% (сплав 2, см, рис.2) первичная кристаллизация происходит в интервале 1₂-J. При этом жидкость, оставаясь насыщенной, изменяет состав в диапазоне от 1₂ до В, а феррит - от 1`₂ до Н. В двухфазной смеси Ж+Ф количество жидкости состава точки В (Ж_в) представлено отрезком HJ, а количество феррита состава точки Н (Ф_н) отрезком Ж

При взаимодействии жидкости Ж_в и феррита Ф_н образуется аустенит состава точки J(A_J) (см. уравнение на рис.5). Эта нонвариантная перитектическая реакция распространяется на интервал: концентраций углерода от точки Н (0,1% С) до точки В (0,5% С).

Рис.5. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 2

В сплавах типа 3 (0,16% С) (см. рис.2) перитектическое превращение протекает соответственно при избытке феррита пли жидкости. Поэтому ниже 1499°С превращение в сплавах типа 3 протекает в форме фазовой перекристаллизации с образованием аустенита (рис.б), а в сплавах типа 4 – первичной кристаллизации с образованием аустенита (рис.7).

Рис.6. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 3

Рис.7. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 4

В сплавах типа 5 (0,5-2,14% С, см. рис.2) имеет место первичная кристаллизация с образованием аустенита. При этом состав жидкости в условиях равновесной кристаллизации изменяется от точки 1₅ до точки 2'₅, а аустенита - от точки 1'₅ до точки 2₅.

Как указывалось, формирование структуры стали при охлаждении до нормальной (комнатной) температуры проходит независимо от содержания углерода через состояние аустенита. При содержании углерода менее 0,025% (сплав типа 6, см. рис.3) аустенит в интервале температур 1₆-2₆ претерпевает фазовую перекристаллизацию с образованием феррита (рис.8). Образовавшийся феррит оказывается насыщенным и ниже температуры точки 3₆, при дальнейшем охлаждении из него выделяется цементит. При этом состав феррита изменяется в соответствии с линией его насыщения до точки Q (0,0067% С).

Рис.8, Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 7

При содержании углерода в стали 0,8% (сплав 7, см, рис.3) аустенит при температуре 727°С (точка S) оказывается насыщенным и железом, и углеродом. Поэтому при этой температуре происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси феррита и цементита, которая называется перлитом (П, см. рис.9). В интервале температур ниже 727°С из ферритной составляющей перлита в соответствии с линией PQ выделяется третичный цементит Ц_ш (см. рис.9), соединяющийся с цементитом перлита. Сталь состава точки S (0,8% С) называется эвтектоидной.

Рис.9. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 7

При охлаждении аустенита доэвтектоидной стали (сплав 8, см.рис.3) в интервале температур 1₈-2₈ происходит фазовая перекристаллизация. При этом на уровне температуры 727°С аустенит в двухфазной смеси А+Ф приобретает эвтектоидный состав и при постоянной температуре превращается в перлит (см. реакции на рис.10). Таким образом, ниже 727°С доэвтектоидная сталь представлена перлитом и избыточной фазой – ферритом. В соответствии с линией PQ в этой стали ниже 727°С также выделяется третичный цементит Ц_ш.

Из аустенита заэвтектоидной стали (сплав 9, рис.3) ниже температуры линии ES (точка 1₉) выделяется цементит (Ц_II) и при температуре 727°С, достигая эвтектоидного состава, превращается в перлит (см. уравнения на рис.11). Следовательно, в структуре эвтектоидной стали также содержится перлит.

Таким образом, в равновесным условиях при нормальной температуре эвтектоидная сталь представлена перлитом, доэвтектоидная -перлитом и избыточным ферритом, заэвтектоидной – перлитом и избы точным цементитом в виде сетки по границам зерен перлита.

Рис.10. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 8

Рис. 11, Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 9

Различают чугуны эвтектический (4,3% С), доэвтектический (2,14-4,3% С) и заэвтектический (более 4,3% С). Эвтектический чугун (сплав 10, см. рис.1) в процессе кристаллизации распадается с образованием смеси аустенита состава точки Е и цементита. Такое превращение называется эвтектическим, а продукт превращения – смесь цементита и аустенита – ледебуритом (эвтектикой). Эвтектическое превращение, будучи трехфазным, согласно правилу фаз протекает при постоянной температуре (рис.12). В соответствии с линией ES из аустенита ледебурита при охлаждении в интервале 1147-727°С выделяется вторичный цементит и при температуре 727°С превращается в перлит.

Рис. 12. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 10

В довэтектическом чугуне (см. рис.3., сплав 11) описанным превращениям предшествует первичная, кристаллизация с образованием аустенита (рис.13). В заэвтектическом чугуне (см. рис.3, сплав 12) продуктом первичной кристаллизации является цементит (рис.14). При этом на уровне температур 1147°С жидкость в смесях Ж+А и Ж+Ц приобретает эвтектический состав и превращается в ледебурит.

Таким образом, кристаллизация всех сплавов в интервале содержания углерода от 2,14 до 6,67% завершается эвтектическим превращением при одинаковой температуре на линии ECF - 1147°С, всем чугунам свойственно также выделение из аустенита вторичного цементита в интервале 1147-727°С, протекание эвтектоидного превращения при температуре 727°С и выделение ферритом третичного цементита ниже 727°С. Формирование структуры чугуна при охлаждении из жидкого состояния сопряжено с протеканием двух нонвариантных превращений: эвтектического и эвтектоидного. Поэтому на кривых охлаждения образуются две изотермические площадки при температурах 1147°С и 727°С (см. рис. 12-14).

Рис. 13. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 11

Структура эвтектического чугуна при нормальной температуре представлена ледебуритом, доэвгектического – ледебуритом и перлитом, заэвтектического - ледебуритом и первичным цементитом.

Диаграмма состояния железо-цементит содержит информацию о фазовом состоянии различных сталей и чугунов. Наряду с этим она позволяет решать задачи, связанные с определением состава фаз и количественного соотношения фаз.

Например, сплав 11 (см. рис.1) при температуре точки 3₁₁ содержит феррит состава точки Р и цементит состава точки К. При этом количество феррита равно З₁₁К/РК, а цементита – РЗ₁₁/РК,

Рис.14. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 12

Методика выполнения работы

Уясните цель работы.

Изучите диаграмму состояния системы железо-углерод.

- Выполните по заданию, приведенному в таблице 1, анализ процесса кристаллизации в равновесных условиях одного из железоуглеродистых сплавов.

- постройте диаграмму состояния системы железо-цементит, укажите на ней фазовые области и проведите линию состава заданного сплава;

постройте кривую охлаждения;

- проверьте, используя правило фаз Гиббса, правильность построения кривой охлаждения;

- опишите превращения, происходящие при охлаждении сплава, приведите уравнения фазовых реакций;

- изобразите вероятную структуру сплава для каждого этапа охлаждения;

- определите состав и количественное соотношение фаз при заданной в таблице температуре.

Фазы и структуры на диаграмме состояния железо-цементит

Диаграммы состояния строятся в координатах «концентрация – температура» и дают наглядное представление о фазовом составе сплавов; структурных превращениях, происходящих при нагреве и охлаждении; используются для выбора температуры при термической обработке и т. п. Для анализа превращений, происходящих в сталях и чугунах важнейшее значение имеет диаграмма состояния железо – цементит (рис. 28.1).

Рис. 28.1. Диаграмма состояния железо – цементит

На этой диаграмме АВСD является линией ликвидуса; ниже ее начинается кристаллизация. Точка с минимальной температурой кристаллизации (плавления), соответствующая 4,3 % С, называется эвтектикой (от лат. «легкоплавкий»), после затвердевания сплава ей соответствует структура ледебурита. Аналогичная точка 0,81 % С, где превращение происходит в твердом виде, называется эвтектоид, ей соответствует структура перлита. АHJЕСFD – линия солидуса; на этой линии кристаллизация заканчивается, и ниже ее все образовавшиеся фазы являются твердыми.

Диаграмма состояния железо-цементит объединяет 6 структурных составляющих, включая в себя 4 фазы (жидкость, феррит, аустенит, цементит) и 2 механические смеси (перлит и ледебурит).

Феррит (Ф) представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. Это самая мягкая и пластичная структурная составляющая. Предельное содержание углерода в феррите при 727 о С (точка Р) около 0,02 %, а при комнатной температуре (точка Q) – 0,01 %.

Аустенит (А) представляет собой твердый раствор углерода в γ-железе. Это более твердая и прочная структурная составляющая. Существует при температуре выше 727 °С. Предельное содержание углерода (точка Е) – 2,14 %.

Цементит (Ц) – карбид железа – химическое соединение Fe₃C (6,67 % С) со сложной кристаллической решеткой, состоящей из ряда октаэдров (рис. 28.2), и является самой твердой и хрупкой структурной составляющей. По происхождению различают первичный цементит Ц_I – выделяющийся из жидкости по линии СD, вторичный Ц_II – из аустенита по линии ЕS, третичный Ц_III – из феррита по линии РQ.

Рис. 28.2. Кристаллическая решетка цементита

Перлит[34] (П) представляет собой механическую смесь феррита и цементита, содержащую в среднем 0,81 % С. Благодаря наличию цементита, он более прочен и тверд, чем феррит и аустенит.

Ледебурит[35] (Л) является механической смесью феррита и цементита, содержащей в среднем 4,3 % С. Благодаря большей доле цементита он более тверд и хрупок, чем перлит.

Читайте также: