2. Вопросы для самопроверки

1. Что такое чугун?

2. Что такое ледебурит, цементит, графит?

3.Как называются графитизированные чугуны по стальной основе?

4. какую форму графита имеют серые, высокопрочные, ковкие чугуны?

5. Какими характерными свойствами обладают чугуны?

Литература: [2] с.203-222; [3] с. 100-109; [7] с. 147-156.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Упражнение по диаграмме состояний железоуглеродистых сплавов

Цель работы:

Изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

1. Теоретические сведения

Технические сплавы на основе железа (стали и чугуны) являются сплавами сложного состава, так как помимо основных компонентов — железа и углерода -они содержат определенное количество постоянных примесей.

Тем не менее, фазовое и структурное состояние сплавов при медленном их охлаждении с высоких температур, достаточно точно определяется двойной диаграммой состояний, построенной для чистых от примесей сплавов.

Существует две диаграммы состояний железоуглеродистых сплавов: железо - цементит и железо - графит. Эта двойственность обусловлена тем, что в зависимости от внешних условий в равновесии с жидким раствором или твердыми растворами железа могут находиться как цементит (карбид железа Fе₃С), так и графит (С).

Цементит является неустойчивым химическим соединением, которое в случае длительного пребывания при достаточно высоких температурах диссоциирует с выделением кристаллов графита. Неустойчивость цементита возрастает с повышением содержания углерода в сплавах, и сплавах с относительно невысоким содержанием углерода (сталь) - цементит отличается высокой устойчивостью; графит в них может появиться лишь в результате весьма длительного пребывания (тысячи часов) при температурах 500 - 700 °С. В сплавах с достаточно высоким содержанием углерода (чугун) - графит часто образуется уже при медленном охлаждении или при нагревах и относительно кратковременных выдержках при повышенной температуре.

Обычно диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов изображают двумя системами линий: сплошными и пунктирными. Сплошные линии отражают состояния равновесия в присутствии в сплавах цементита, пунктирные - графита. Диаграмма железо - цементит называется метастабильной диаграммой равновесия, диаграмма железо - графит называется стабильной диаграммой равновесия.

Наибольшее практическое значение имеет метастабильная диаграмма состояний, так как появление графита в чугунах легко объясняется протеканием вторичной реакции графитизации: цементит → железо + графит, а в сталях графит встречается чрезвычайно редко.

В области ЕСВ в равновесии находятся кристаллы аустенита и жидкий раствор.

В области СДF в равновесии находятся кристаллы цементита и жидкий раствор.

В области SEGFK в равновесии находятся кристаллы аустенита и цементита.

И, наконец, в области QPSKL в равновесии находятся кристаллы феррита и цементита.

Горизонтальные линии диаграммы выражают состояние трехфазного равновесия (степень свободы равна нулю). На горизонтальной линии HJB в равновесии находятся две твердые фазы и одна жидкая, при охлаждении сплавов происходит перитектическое превращение, состоящее во взаимодействии феррита, содержащего 0,1 % С, с жидким раствором, содержащим 0,51 % С; в результате взаимодействия образуется аустенит, содержащий 0,16 % С. Реакцию можно записать: При надевании происходит обратное превращение. На горизонтальной линии ECF в равновесии находятся одна жидкая и две твердые фазы: при охлаждении происходит эвтектическое превращение, состоящее в том, что жидкий раствор эвтектической концентрации (4,3 % С) затвердевает, образуя эвтектическую смесь кристаллов аустенита с 2,14 % растворенного углерода и кристаллов цементита.

Реакцию можно записать:

При нагревании происходит обратное превращение. Эвтектика железоуглеродистых сплавов называется ледебуритом.

На горизонтальной линии PSK в равновесии находятся три твердые фазы; при охлаждении происходит эвтектоидное превращение: аустенит, содержащий 0,81 % С, распадается на эвтектоидную смесь, состоящую из кристаллов феррита, в котором растворено 0,02 % С, и кристаллов цементита.

Реакцию можно записать:

При нагреве происходит обратное превращение. Эвтектоид железоуглеродистых сплавов называется перлитом.

На диаграмме имеются три линии насыщения: линия насыщения NH, указывающая растворимость углерода в феррите при высоких температурах линия насыщения SE, указывающая растворимость углерода в аустените, и линия насыщения PQ, указывающая растворимость углерода в феррите при относительно низких температурах. При охлаждении сплавов согласно указанным линиям твердые растворы обедняются углеродом.

Весовое соотношение фаз (структурных составляющих), присутствующих в сплавах, а также весовое соотношение кристаллических фаз в сложных структурных составляющих: эвтектиках и эвтектоидах, так же, как и в простейших типовых диаграммах состояний, можно определить по правилу отрезков.

Правило отрезков: для определения весового соотношения присутствующих в сплаве фаз структурных составляющих; нужно через фигуративную точку сплава провести горизонталь между точками, указывающими химический состав фаз (структурных составляющих). Отношение отрезков между фигуративной точкой сплава и точками, указывающими состав, определяет весовое отношение присутствующих фаз (структурных составляющих), причем отрезок между фигуративной точкой сплава и точкой химического состава одной из фаз (структурной составляющей) характеризует весовую долю второй фазы (структурной составляющей).

Так как правило отрезков для простейших случаев, когда в сплавах присутствуют только две фазы или структурные составляющие, неоднократно использовалось в предыдущих работах, покажем, как нужно применять это правило в более сложных случаях, когда в сплаве присутствуют более двух структурных составляющих.

Найдем весовое соотношение структурных составляющих в белом доэвтектическом чугуне с 3 % углерода при 900 °С (рис. 5.1).

При 900 °С в белом доэвтектическом чугуне имеются три структурные составляющие: эвтектика, избыточные кристаллы аустенита и кристаллы структурно свободного вторичного цементита.

Так как весовая доля эвтектики не изменяется с температуры её образования вплоть до комнатной температуры, подсчитаем сначала, сколько в нашем сплаве было эвтектики при эвтектической температуре, т.е. тогда, когда присутствовали только две структурные составляющие: эвтектика и избыточные кристаллы аустенита. Содержание углерода в эвтектике равно 4,3 %, содержание углерода в избыточном аустените при 1147 °С равно 2,14 %. Очевидно, что отношение веса эвтектики к весу сплава, равно отношению отрезка ЕО к отрезку ЕС или Вес эвтектики составляет приблизительно 40%: остальная доля веса падает на аустенит, которого, следовательно, при эвтектической температуре было примерно 60 %.

При охлаждении чугуна от эвтектической температуры до 900 °С из кристаллов избыточного аустенита выделились кристаллы вторичного цементита, состав аустенита при этом изменился по линии ES; при 900 °С содержание углерода в аустените соответствует точке R, т.е. равно ~ 1,3 %.

Подсчитаем теперь, сколько по весу вторичного цементита должно выделиться из избыточного аустенита при охлаждении с 1147° до 900 °С. Содержание углерода в аустените при 900 °С равно 1,3 % (точка R), содержание углерода в цементите равно 6,67 % (точка Т). Следовательно, отношение веса кристаллов вторичного цементита к весу смеси аустенит + вторичный цементит соответствует отношению отрезков RU к RT . Выразив его в процентах, находим, что вес кристаллов вторичного цементита по отношению к весу аустенита при 1147° (или что то же самое, к весу смеси γ_1,3 + Fe₃C при 900°С) составляет примерно 15,6 %.

Теперь легко подсчитать вес вторичного цементита, выделившегося из избыточного аустенита, по отношению к весу всего чугуна. Он будет равен

Относительный вес аустенита, следовательно, при охлаждении его от 1147 до 900 °С уменьшился на 9,4 %. т.е. он равен теперь 60 - 9.4 = 50,6 %.

Таким образом, в белом чугуне, содержащем 3% С при 900°С на долю эвтектики приходится 40 %, на долю избыточного аустенита 50,6 % и на долю вторичного цементита 9,4 % общего веса сплава.