Инструкция
Тема: Анализ диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов
Цель занятия: Изучение структуры железоуглеродистых сплавов при их термических превращениях в соответствии с диаграммой «Железо – цементит».
Этапы занятия:
1. Используя материал теоретической части, проанализировать диаграмму состояния «Железо – цементит».
2. Выбрать по заданию преподавателя согласно таблице 1 вариант контрольного задания, т.е. выбрать железоуглеродистый сплав с определенным содержанием углерода.
3. Начертить эскизы диаграммы состояния «Железо – цементит», с
указанием содержания углерода в сплаве (по своему варианту).
4. По диаграмме «Железо-цементит» рассмотреть превращения, происходящие при медленном охлаждении данного сплава от температуры 1600оС.
5. Указать превращения, фазы, структурные составляющие, критические температуры, характеризующие медленное охлаждение данного сплава.
По итогам выполнения работы выставляется одна общая отметка.
Теоретическая часть
Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — важнейшие металлические сплавы современной техники. По объему производство чугуна и стали намного более чем в 10 раз превосходит производство всех других металлов вместе взятых.
Железоуглеродистые сплавы, содержащие от 0,02% до 2,14% углерода, относят к сталям, а с содержанием от 2,14% до 6,67% углерода - к чугунам. Стали и чугуны представляют собой твердые растворы внедрения.
Изучение структуры и свойств железоуглеродистых сплавов в зависимости от температуры целесообразно проводить с помощью диаграммы состояния «Железо — цементит». В этом случае по оси абсцисс рассматривается часть системы от железа до химического соединения железа с углеродом Fe3C, называемого цементитом; а по оси ординат – температура.
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
Железо - металл серебристого цвета. Удельный вес равен 7,82 г/см3; температура плавления 1539° С; атомный вес 55,85; атомный радиус 1,27 Ǻ. Железо известно в двух полиморфных модификациях: α-Fe и γ-Fe. Модификация α-Fe существует при температурах ниже 911°С и выше 1392°С (рис. 2), для интервала температур 1392-1539 °С α-Fe нередко обозначают как δ-Fe. Кристаллическая решетка α-Fe - объемноцентрированный куб (о.ц.к.) с периодом решетки 2,86 Ǻ. До температуры 768°С α-Fe магнитно (ферромагнитно), а выше температуры 768° С - парамагнитно. Критическую точку (768°С), соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри и обозначают А2.
γ-Fe существует в интервале температур от 911 °С до 1392 °С (рис.1); оно парамагнитно, кристаллическая решетка γ-Fe – гранецентрированная кубическая (г.ц.к.). Критическую точку превращения α-Fe в γ-Fe (911°С) обозначают А3, а перехода γ-Fe в δ-Fe при 1392 °С - А4.
Рисунок 1 - Кривые нагрева и охлаждения чистого железа
Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с неметаллами (углеродом, азотом и водородом) – растворы внедрения.
Углерод является неметаллическим элементом. Удельный вес равен 2,5 г/см3; атомный вес 12,011; температура плавления 3500 °С; атомный радиус равен 0,77 Ǻ. В свободном состоянии углерод встречается в трех аллотропических модификациях: в виде алмаза, графита и угля. Углерод растворим в жидком и в твердом железе, а также может образовывать с железом химическое соединение - цементит (карбид железа).
Цементит - химическое соединение железа с углеродом Fе3С, содержащее 6,67% С (карбид железа). Цементит имеет сложную решетку с высоким координационным числом и сильными металлическими связями между атомами железа. Температура плавления цементита около 1250°С. Аллотропических превращений цементит не испытывает, но при низких температурах он слабо ферромагнитен. Цементит имеет высокую твердость (HВ > 800), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Цементит — соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.
Цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах. Цементит, выделяющийся из жидкой фазы, называют первичным, из аустенита – вторичным, а их α-феррита – третичным.
Феррит — твердый раствор углерода в α-железе. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % (точка Р рисунок 2) и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 % (точка Н). α-феррит может содержать в твердом растворе при 723 оС до 0,02% углерода (точка Р), а при комнатной температуре —только 0,006 % углерода (точка Q). Феррит имеет объемно-центрированную кубическую решетку и ферромагнитен (до 768 оС), его твердость НВ ≈ 60.
Аустенит — твердый раствор углерода в γ-железе. Аустенит имеет гранецентрированную кубическую решетку. γ-Fe при температуре 1147°С максимально растворяет углерод - 2,14 % (точка Е), а при температуре 723°С
- до 0,8% углерода (точка S). В чистых сплавах железа с углеродом и в простых углеродистых сталях аустенит устойчив только при высоких температурах. Аустенит, как и γ-железо, немагнитен и вязок. Твердость аустенита НВ 170 -220.
Диаграмма состояния «Fе – Fе3С» Диаграмма состояния «Fе – Fе3С» представлена на рисунке 2.
 |
Рисунок 2 - Диаграмма состояния сплавов «Fе—Fе3С»
По горизонтальной оси диаграммы откладывается содержание углерода от 0 до 6,67% или от 0 до 100% цементита Fе3С, а по вертикальной оси — температура. Каждая точка на диаграмме характеризует определенный состав сплава при определенной температуре.
В ПРИЛОЖЕНИИ приведены таблицы, где указаны соответствующие точкам диаграммы «Fе – Fе3С» значения температур и концентраций углерода (табл.1) и значения критических точек диаграммы «Fе – Fе3С» (таблица 2).
Верхняя часть диаграммы
Линия АВСD называется ликвидусом (по латыни ликвидус — «жидкий»), начало затвердевания сплавов при переходе из жидкого состояния в твердое, выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.
Линия АHJEСF является линией конца затвердевания сплавов и называется солидусом (по латыни солидус — «твердый»).
Чистое железо плавится и затвердевает при 1539 °С (ось ординат). Эвтектический сплав, содержащий 4,3% углерода, плавится и затвердевает при температуре, соответствующей т.С (1130 °С). Остальные сплавы
претерпевают плавление и кристаллизацию в определенном интервале температур в зависимости от содержания углерода.
При температурах, соответствующих линии АВ, из жидкого сплава начинает выделяться твердый раствор δ-феррита. В области АНВ существует двухфазное состояние системы – жидкая
фаза + кристаллы δ-феррита. Далее на горизонтали НJB при 1499° происходит перитектическое превращение согласно реакции:
LВ + ФН → AJ,
при котором жидкая фаза состава точки В (LВ) в количестве, определяемом отрезком НJ, и δ-феррит, состава точки Н, (ФН), реагируя между собой, образуют аустенит, состава точки J, (AJ). Поэтому в сплавах, лежащих левее точки J (линия HJN) и потому имеющих избыточное количество кристаллов твердого δ-феррита, при переходе линии перитектического превращения образуется структура - аустенит плюс кристаллы δ-феррита; в сплавах, лежащих левее т.Н (область AHN) структура - δ-феррит, а в сплавах, лежащих правее точки J и имеющих избыточное количество жидкой фазы, при переходе линии перитектического превращения образуется структура - аустенит и жидкая фаза.
Правее точки В при температурах, соответствующих линии ВС и ниже ее, из жидкого сплава выделяются кристаллы аустенита с пониженным содержанием углерода, а оставшийся жидкий сплав по мере охлаждения обогащается углеродом.
Затвердевание сплавов, содержащих до 2,14 % С, заканчивается на линии АНJЕ (линия солидус). Ниже линии NJЕ сплавы состоят только из одного аустенита.
Затвердевание сплавов, содержащих от 2,14 до 6,67 % углерода, заканчивается на линии ЕСF – линии эвтектического превращения. В этом случае жидкий сплав состава точки С (4,3% углерода) кристаллизуется при постоянной температуре (1130°С) с образованием ледебурита (Л) согласно реакции:
LC → AE + Ц → Л
Таким образом, ниже линии ЕС структура затвердевших сплавов будет состоять из аустенита и ледебурита. Ледебурит – эвтектика, т.е. механическая смесь, состоящая в момент образования из аустенита и цементита.
Сплавы, содержащие от 4,3 до 6,67 % С, начинают кристаллизоваться при температурах, соответствующих линии СD (ликвидус) и ниже. Сначала из жидкого сплава выделяются кристаллы первичного цементита, вследствие чего оставшийся жидкий сплав обедняется углеродом. После достижения температуры, соответствующей линии СF (солидус), оставшийся жидкий сплав принимает состав точки С и затвердевает при постоянной температуре. В результате кристаллизации такие сплавы имеют структуру, состоящую из первичного цементита и ледебурита.
Таким образом, сплавы с содержанием менее 2,14 % углерода, будут иметь в структуре аустенит; сплавы, содержащие от 2,14 % до 4,3 %
углерода, - ледебурит и аустенит; с содержанием 4,3 % углерода – ледебурит; а с содержанием углерода от 4,3 до 6,67% - ледебурит и первичный цементит.
Нижняя часть диаграммы
В структуре сплавов «Fе—Fе3С» превращения протекают также и в твердом состоянии. Это объясняется:
а) переходом железа из одной аллотропической формы в другую;
б) изменением растворимости углерода как в γ-железе, так и в α-железе при понижении температуры.
Линия GS (точка А3) определяет собой температуры начала выделения из аустенита α-феррита. Она показывает, что температура образования α- феррита понижается с 911°С для чистого железа до 723° С для сплава, содержащего 0,8% углерода. Феррит, выделяющийся в процессе охлаждения из аустенита, содержит не более 0,02% С, поэтому его выделение ведет к обогащению оставшегося аустенита углеродом.
При понижении температуры до 723° (линия PSК) сплав будет состоять из α-феррита и аустенита, содержащего 0,8 % С. На линии PSК (точка А3) происходит эвтектоидное превращение, описываемое реакцией
AS → ФP + Ц → П
т.е. аустенит (AS), состава точки S, превращается в перлит (П) – механическую смесь кристаллов феррита (ФP) и цементита (Ц). Такая смесь называется эвтектоидной.
В результате эвтектоидного превращения сплавы, содержащие менее 0,8 % углерода, имеют структуру, состоящую из феррита и перлита; а содержащие 0,8 % углерода - структуру, состоящую из одного перлита.
Различие между перлитным и эвтектическим превращениями заключается в том, что перлит образуется из твердой фазы, а не из жидкой, как ледебурит.
Линия SE (точка Аст) определяет растворимость углерода в аустените в зависимости от температуры. При 1130 °С в аустените растворяется 2,14% углерода. С понижением температуры растворимость углерода постепенно уменьшается и при 723 °С составляет 0,8% углерода. Поэтому линия SE является линией начала выделения вторичного цементита при охлаждении аустенита, содержащего более 0,8% углерода. Так как цементит отличается высоким содержанием углерода (6,67% С), то выделение цементита ведет к уменьшению количества углерода в остающемся аустените. Это продолжается до эвтектоидной температуры 723 °С, т. е. до линии РSК (точка А1), когда оставшийся аустенит обедняется углеродом до 0,8% и превращается в перлит. Структура сплавов, содержащих от 0,8 до 2,14% углерода, будет состоять из перлита и вторичного цементита.
Во всех сплавах, содержащих от 0,02 до 6,67% С, на линии РSК происходит перлитное (эвтектоидное) превращение, т.е. аустенит, достигнув концентрации 0,8% углерода, переходит в перлит. Между линиями ECF и PSK в сплавах, с содержанием более 2,14% углерода, ледебурит, который выше линии РSК состоял из механической смеси цементита и аустенита, ниже этой линии будет состоять из смеси цементита и перлита. В
зависимости от состава сплавы, содержащие от 2,14 до 4,3 % углерода, будут иметь структуру, состоящую из перлита, вторичного цементита и ледебурита, сплавы с 4,3% — структуру - из одного ледебурита, а сплавы с 4,3 до 6,67% С
— структуру из первичного цементита и ледебурита.
Линия PQ в нижней левой части диаграммы определяет изменение растворимости углерода в α-феррите. При 723° С в α-феррите растворяется до 0,02% углерода. С понижением температуры растворимость углерода в α- феррите быстро уменьшается и при 0° составляет всего 0,006%. В связи с этим при охлаждении из феррита начинает выделяться углерод в виде третичного цементита (по линии PQ), и ниже этой линии структура состоит из феррита и третичного цементита. Внутри площадки 0GPQ структура сплавов состоит из одного α-феррита.
Железоуглеродистые сплавы с концентрацией углерода до 0,02 % называются железом, с концентрацией углерода от 0,02 % до 2,14 % - сталями, а с концентрацией углерода от 2,14 до 6 % - чугунами.
В зависимости от равновесной структуры стали делятся на доэвтектоидные (с содержанием углерода < 0,8%), структура которых состоит из феррита и перлита; эвтектоидные (С ≈ 0,8%), структура которых состоит только из перлита; и заэвтектоидные (С = 0,8÷2,14%), структура которых состоит из перлита и вторичного цементита. В свою очередь, чугуны делятся на доэвтектические (С = 2,14÷4,3%), структура которых – перлит плюс ледебурит; эвтектические (С ≈ 4,3%), структура – ледебурит и заэвтектические (С > 4,3%), структура - ледебурит и первичный цементит.
ПРИМЕР № 1
Проследим по диаграмме состояния «Fe-Fe3C» за формированием структуры сплава с содержанием углерода 0,3% (сплав I) при его медленном охлаждении от температуры 1600°С. Соответствующие критические точки показаны на фигуративных линиях (рисунок 3).
 |
Доэвтектоидная сталь с 0,3% С выше 1525°С находится в жидком состоянии. Кристаллизация ее начинается при 1525°С (точка 1) с выделением из жидкого раствора кристаллов δ-феррита. В процессе кристаллизации сплава δ-феррит изменяет свой состав согласно линии АН, а жидкость - согласно линии АВ от точки 1 до В. Эту стадию кристаллизации сплава I можно записать так:
В области АВН данный сплав состоит из двух фаз - δ-феррита и жидкой фазы.
При температуре 1499°С (точка 2) δ-феррит (0,1% С) вступает во взаимодействие с жидким раствором (0,51% С); в результате этой реакции образуются кристаллы аустенита (0,16% С). Такое превращение называют перитектическим. Оно протекает при постоянной температуре до исчезновения феррита, в этом случае система нонвариантна (С = 2 – 3 + 1 = 0; фазы: аустенит и жидкий раствор):
(избыток)
Рисунок 3. Диаграмма состояния сплавов «Fе—Fе3С»
 |
При охлаждении ниже температуры точки 2 процесс кристаллизации продолжается и по достижению температуры 1480°С (точка 3) сплав затвердевает, имея структуру аустенита
Таким образом, заканчивается первичная кристаллизация сплава. При дальнейшем охлаждении до 870 °С данный сплав, состоящий только из аустенита, превращений не претерпевает.
 |
При температуре 870°С (точка 4) в результате полиморфного превращения γ- Fe → α-Fe из аустенита начинает образовываться α-феррит. Понижение температуры способствует выделению α-феррита и изменению состава фаз: α-феррита согласно линии GР (точки от 4' до Р) и аустенита GS (от 4 до S)
На линии РSК (точка 5) происходит эвтектоидное превращение.
Аустенит, содержащий 0,8% углерода, распадается на ферритоцементитную смесь - перлит:
.
Следовательно, структура сплава ниже линии РSК (точка А1) состоит из α-феррита и перлита.
ПРИМЕР № 2
Проследим за формированием структуры сталей с содержанием углерода 1,5% (сплав II) при его медленном охлаждении от температуры 1600 °С. Соответствующие критические точки показаны на фигуративных линиях (рис.3).
Заэвтектоидная сталь с содержанием углерода 1,5% начинает кристаллизоваться при температуре 1450 °С (линия ВС). По мере охлаждения в интервале температур 1450-1250 °С (от точки 6 до 7) из жидкой фазы выделяются кристаллы аустенита и по достижению температуры точки 7 (линия JE – солидус) кристаллизация заканчивается, и сплав состоит только из одного аустенита.
В интервале температур 1250-950 °С (от точки 7 до 8) аустенит охлаждается, не претерпевая никаких превращений. При охлаждении сплава ниже 950°С (линия SE, точка 8) концентрация углерода в аустените уменьшается, и он выделяется в виде вторичного цементита.
.
Структура сплавов ниже линии SЕ (точка Аст) будет состоять из аустенита и вторичного цементита.
 |
При температуре 723°С (точка 9) в сплаве происходит эвтектоидное превращение, в результате которого аустенит превращается в перлит.
Ниже температуры 723°С структуру данного сплава составляют перлит и вторичный цементит.
Таблица 1. Варианты контрольных заданий
| № варианта | ||||||||||||
| С% | 0,05 | 0,16 | 0,12 | 1,4 | 5,0 | 2,5 | 1,0 | 0,6 | 2,8 | 1,2 | 0,35 | 0,2 |
| № варианта | ||||||||||||
| С% | 0,4 | 1,6 | 0,5 | 2,3 | 5,50 | 0,8 | 0,02 | 0,2 | 3,50 | 2,1 | 0,75 | 0,9 |
Таблица 2. Соответствие значений температур и концентраций углерода точкам диаграммы «Fе – Fе3С»
| Обозначение точки | Температура, °С | Концентрация углерода, % |
| A | ||
| B | 0,5 | |
| H | 0,1 | |
| J | 0,16 | |
| N | ||
| Е | 2,14 | |
| С | 4,3 | |
| F | 6,67 | |
| D | 6,67 | |
| G | ||
| P | 0,02 | |
| S | 0,8 | |
| K | 6,67 | |
| Q | ∼600 | 0,01 |
| L | ∼600 | 6,67 |
Эвтектика (от греч. éutektos - легко плавящийся), жидкая система (раствор или расплав), находящаяся при данном давлении в равновесии с твёрдыми фазами, число которых равно числу компонентов системы.
Перитектика - перите́ктика (от греч. peritēkō— плавлю, расплавляю, разжигаю), равновесие трёх фаз в системе, состоящей из компонентов A и B: двух твёрдых растворов на основе A и B и жидкого раствора (расплава).
Перитектика существует при постоянной температуре, называемой перитектической точкой, которая является промежуточной между температурами плавления чистых веществ A и B. Образование перитектики используется в металловедении, производстве материалов для микроэлектроники.
Перитектическим превращением называется такое превращение, когда при взаимодействии жидкого расплава с твёрдой фазой образуется другая твёрдая фаза.