Из-за сложности диаграммы Fe-Fe3C с процессами превращений сплавов удобнее ознакомиться, поделив диаграмму на отдельные части (рис. 5.2). Принципы и методика анализа аналогичны тем, которые рассмотрены при анализе диаграмм состояния двойных сплавов (см. лаб. работу 4).
Анализ диаграммы в области сталей. Эта часть диаграммы показана на рис. 5.2 без учета области перитектических превращений.
По содержанию углерода и структуре на диаграмме различают три группы сталей: доэвтектоидные (до 0,8%С), эвтектоидные (~ 0,8% С), заэвтектоидные (более 0,8% до 2,14% С).
На оси концентрации диаграммы отмечены (для примера) три состава сталей: 0,4, 0,8 и 1,2% С, что соответствует доэвтек- тоидному, эвтектоидному и заэвтектоидному составам.
Для заэвтектоидной стали с 1,2% С построена кривая охлаждения по характерным точкам (температурам).
Фазовый анализ стали с 1,2%С. В точке 1 сталь находится в аустенитном состоянии. В точке 2 в равновесии находятся фазы: аустенит и цементит вторичный (А + Цетор). От точки 2
до точки 3 происходит выделение из состава А фазы цементита (цвтор). При этом по мере снижения температуры происходит
изменение состава А по линии ES, т.е. АА' + Цвтор. В точке
S в составе А' массовая доля углерода равна 0,8%.
В точке 3 при t = 727 °С на линии PSK оставшийся аустенит начинает перекристаллизовываться, образуя смесь двух фаз - цементита и феррита - перлит: в равновесии находятся фазы: аустенит, цементит, феррит (находящийся в перлите).
В точке 3' перекристаллизация аустенита заканчивается, он исчезает; остаются в равновесии две фазы: феррит и цементит.
В точке 4 - те же фазы, что в точке 3', но охлажденные до комнатной температуры (условно). В этих же точках по правилу фаз определяется число степеней свободы с,, с2, съ, с4 (порядок указан в лаб. работе 4).
Структурный анализ данной стали. Согласно диаграмме и кривой охлаждения от точки 2 до точки 3 происходит выделение свободного цементита (вторичного) из аустенита.
В точке 3 до точки 3' на эвгектоидной линии происходит превращение аустенита в перлит. Таким образом, при комнатной температуре в структуре имеются цементит вторичный (свободный) и перлит.
Схематически вторичный (свободный) цементит рисуется в виде сетки вокруг зерен аустенита, а перлит - в виде чередующихся полосок на месте бывшего зерна аустенита. Полоски обозначают смесь двух фаз: феррита и цементита.
Изучение состояния данной стали в двухфазной области, например при заданной температуре t 800 °С, производится по правилу отрезков. Горизонтальная линия, проходящая через точку i, соответствующей t 800 °С, пересекает линию SE в точке к, а второй конец пересекает ординату чистой фазы цементита DFKL в точке i (см. рис. 5.1).
В точке i находятся в равновесии две фазы: А и Цвтор.
Проекция точки к на оси концентрации к' показывает состав А, а проекция точки i — состав Ц - она попадает в точку с 6,67%С, т.е. чистого цементита. Количественное соотношение этих фаз определяют отрезок ki (цементит) и il (аустенит):
Анализ сталей с 0,4; 0,8% С производится аналогично.
Необходимо помнить, что в зависимости от массовой доли углерода одни и те же фазы при комнатной температуре - феррит и цементит - образуют разные структуры.
Так, сталь с 0,4% С - доэвгектоидная. При охлаждении аустенита с точки 2 до точки 3 выделяется свободный феррит, а оставшийся аустенит в точке 3 распадается на перлит. Поэтому в структуре при комнатной температуре будут зерна свободного феррита и перлита, а сталь с 0.8% С в точке 2 сразу распадается на перлит.
Анализ диаграммы состояния Fe-Fe3C в области чугунов (часть диаграммы на рис. 5.3). Чугуны с массовой долей углерода до 4,3% называются доэвтектическими, 4,3% - эвтектическими, более 4,3% — заэвтектическими. Все чугуны при охлаждении из жидкого состояния проходят первичную и вторичную кристаллизацию.
Для анализа в качестве примера задан состав чугуна с 3%С, соответствующий доэвтектическому составу. Задано также значение температуры для изучения состояния чугуна с 3%С в двухфазной области t 1200 °С.
Фазовый анализ чугуна с 3%С. При температуре, соответствующей точке 1, чугун находится в жидком состоянии. В точке 2 в равновесии находятся Ж + А (аустенит). От точки 2 до точки 3 из жидкой фазы выделяется аустенит А, при этом состав жидкой фазы изменяется по линии ВС ив точке С она имеет 4,3% углерода.
В точке 3 находятся в равновесии три фазы: Ж' + А + Ц (цементит), так как начинается эвтектическое превращение жидкого чугуна с образованием смеси А + Ц - ледебурита, фаза Ц появляется в составе этой смеси. От точки 3 до точки 3' происходит превращение Ж' → Л(А + Ц).
В точке 3' остаются две фазы: А + Ц, в точке 4 изменений в числе фаз нет.
От точки 3'до точки 5 происходит выделение из аустенита цементита вторичного по линии ES, при этом состав аустенита изменяется: А →А' + Цвтор.
В точке 5 в равновесии находятся фазы А' + Ц + Ф; феррит появляется в составе перлита, на которое начинает распадаться аустенит.
От точки 5 до точки 5' происходит превращение А' →П(Ф + Ц).
В точке 6 находятся те же фазы, что и в точке 5', только при комнатной температуре: Ц + Ф. Число степеней свободы определяется в каждой точке по правилу фаз (порядок указан в лаб. работе 4). •
Структурный анализ чугуна с 3%С. Структуры чугунов намного сложнее структуры сталей. Это обусловлено тем, что чугуны претерпевают превращения с образованием эвтектики - ледебурита и эвтектоида - перлита.
Структура рассматриваемого состава чугуна формируется в следующем порядке.
В точке 2 → 3 идет выделение из жидкой фазы чугуна первичных (свободных) кристаллов аустенита. До точки 3 его количество растет.
В точке 3 - температура эвтектического превращения оставшегося жидкого чугуна в ледебурит (А + Ц). Чуть ниже / 1147 °С в структуре имеются свободный первичный аустенит и ледебурит, в составе которого находится также аустенит в смеси с цементитом.
В точке 4 в структуре имеются изменения - из аустенита по мере снижения температуры выделяется по линии ES цементит вторичный.
В точке 5 начинается, а в точке 5' заканчивается эвтекто- идное превращение аустенита в перлит (А → Ц + Ф), притом аустенита как свободного, л ак и входящего в состав ледебурита.
Таким образом, при комнатной температуре в структуре данного состава чугуна содержатся: участки перлита в местах бывших зерен первичного аустенита, вторичный цементит во- ' круг зерен первичного аустенита, ледебурит - в составе которого цементит эвтектики и перлит в местах бывшего аустенита эвтектики. Схема структуры дана на рис. 5.3 - под кривой охлаждения. Необходимо помнить, что при комнатной температуре (ниже линии PSK) все стали и чугуны имеют всего две фазы - феррит и цементит, но разные структуры — в зависимости от доли углерода.
Состояние сплава при t 1200 °С. При заданном значении температуры (/ 1200 °С) рассматриваемый чугун состоит из фаз Ж' + А. Горизонтальная линия, проведенная на уровне / 1200 °С, пересекается с температу рной осью данного чугуна в точке /'. Точка к находится на линии, ограничивающей фазу аустенита, i-на линии жидкой фазы. Соответственно k' на оси концентрации показывает состав А, i' - состав Ж.
Массовые соотношения фаз при заданной температуре, %:
Чугуны с другими составами анализируются аналогично. В соответствии с составом чугуна происходят другие фазовые превращения и образуются другие структуры. Для анализа необходимо изучить диаграмму и строить кривые охлаждения.
Применение правил фаз и отрезков также аналогично.
Задание
1.Вычертить диаграмму железо-цементит или сделать копию этой диаграммы.
2.Дать описание диаграммы: какие имеются линии фазовых превращений, однофазные области, двухфазные области; что называется аустенитом, ферритом, цементитом, ледебуритом и перлитом и где расположены их области.
3.Дать полный фазовый и структурный анализ состава (стали или чугуна) по заданию преподавателя.
Содержание отчета
1.Тема, цель работы.
2.Описание диаграммы, фазового и структурного анализа заданного преподавателем состава стали или чугуна по изложенной методике.
3.Выводы.
5. Контрольные вопросы
1.Что показывает диаграмма железо-цементит (см. рис. 5.1)?
2.До какого содержания углерода построена диаграмма Fe - Fe3C?
3.Какие фазы имеются на диаграмме?
4.Что называется аустенитом, ферритом, цементитом? Покажите на диаграмме области их расположения.
5.Какая массовая доля углерода в сплаве является граничной между сталью и чугуном?
6.Из каких фаз состоят ледебурит и перлит?
7.Из каких фаз состоят все стали и чугуны при комнатной температуре?
8.Чем отличается эвтектоидное превращение от эвтектического?
9.Какую максимальную массу углерода могут растворить аустенит, феррит и при каких значениях температуры?
10.Что такое правило фаз? Что по нему определяют?
11.Что определяется правилом отрезков?