Фазовый и структурный анализ диаграммы железо-цементит

 

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 + Ц_етор). От точки 2

до точки 3 происходит выделение из состава А фазы цементита (ц_втор). При этом по мере снижения температуры происходит

изменение состава А по линии ES, т.е. АА' + Ц_втор. 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, с_ъ, 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 Ц_втор.

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' + Ц_втор.

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?