1.2. Основные линии и точки на диаграмме железо – углерод
Линия ABCD является ликвидусом системы, линия AHJECF – солидусом.
Три горизонтальные линии на диаграмме (HJB, ЕСF и PSK) указывают на протекание трех превращений.
При 1499 °С (линия HJB) протекает перитектическая реакция:
LB + ФH → AJ.
В результате этой реакции образуется аустенит. Реакция эта наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до 0,5%.
При 1147 ºС (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция:
LС → AЕ. + Ц.
В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь аустенита и цементита, которая называется ледебуритом. Реакция эта происходит у всех сплавов системы, с содержанием углерода более 2,14 %.
При 727 °С (горизонталь РSК) протекает эвтектоидная реакция:
АS → ФР + Ц.
Продуктом превращения является эвтектоидная смесь феррита и цементита. которая называется перлитом.
Перлитное (эвтектоидное) превращение происходит во всех сплавах, содержащих свыше 0,02 % углерода, т. е. практически во всех промышленных железоуглеродистых сплавах.
AHN – линия предельной растворимости углерода в -феррите.
ES – линия предельной растворимости углерода в аустените.
GPQ – линия предельно растворимости углерода в α-феррите.
DFKL – линия однофазного существования цементита (6,67%).
МО – линия магнитного превращения (768С).
А – температура плавления железа - 1539С.
D - температура плавления цементита.
B – содержание углерода в жидкой фазе, претерпевающей перитектическое превращение (0,51%).
C - содержание углерода в жидкой фазе, претерпевающей эвтектическое превращение (4,3%).
H - содержание углерода в -феррите, претерпевающем перитектическое превращение (0,1%).
J – содержание углерода в аустените, образующемся в результате перитектического превращения.
E – предельное содержание углерода в аустените, образующемся в результате эвтектического превращения (2,14%).
S - содержание углерода в аустените, претерпевающей эвтектоидное превращение (0,8%).
P – предельное содержание углерода в α-феррите, образующемся в результате эвтектоидного превращения (0,025%).
Q - предельное содержание углерода в α-феррите, при комнатной температуре.
Рис. 1. Диаграмма железо – углерод
1.2. Анализ процессов охлаждения железо углеродистых
сплавов различного состава
Диаграмма «железо-углерод» дает возможность проследить процессы фазовых превращений, происходящих при охлаждении сплава любого состава из жидкого состояния до комнатной температуры и прогнозировать их структуру. Для такого анализа необходимо внимательно изучить все области диаграммы и фазовый состав, соответствующий им. При изменении температуры сплава заданного состава происходит переход из одной фазовой области в другую, соответственно изменяется фазовый состав и структура сплава. Например, выше линии ABCD (см. рис.1) все сплавы системы «железо-углерод» находятся в жидком состоянии. При охлаждении ниже температур, соответствующих линии АВ происходит кристаллизация (затвердевание) с образованием δ-феррита. Сплавы охлажденные ниже линии ВС кристаллизуются с образованием аустенита. После охлаждения ниже линии CD происходит образование цементита.
В системе «железо-углерод» происходит три превращения. При 1499 °С (линия HJB) протекает перитектическая реакция:
LB
+
ФH
AI
,
где LB – жидкая фаза состава точки В, ФH - δ-феррит состава точки H, AI – аустенит состава точки I. В результате этой реакции образуется аустенит. Реакция эта наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до 0,5%.
При 1147 ºС (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция:
LС AЕ. + Ц.,
где LС - жидкая фаза состава точки С, AЕ - аустенит состава точки Е, Ц – цементит. В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь аустенита и первичного цементита, которая называется ледебуритом. Реакция эта происходит у всех сплавов системы, с содержанием углерода более 2,14 %, т.е. в чугунах. Чугуны подразделяют на три группы: эвтектические, содержащие 4,3 % С, доэвтектические с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % С и заэвтектические, с содержанием более 4,3 % С.
При 727 °С (горизонталь РSК) протекает эвтектоидная реакция:
АS ФР + Ц.,
Где АS - аустенит состава точки S, ФР – феррит состава точки Р, Ц.- цементит. Продуктом превращения является эвтектоидная смесь феррита и третичного цементита, которая называется перлитом. Перлитное (эвтектоидное) превращение происходит во всех сплавах, содержащих свыше 0,02 % углерода, т. е. практически во всех промышленных железоуглеродистых сплавах. Обратите внимание на то что цементит , образующийся из жидкой фазы, называется первичным, а цементит , образующийся из аустенита называется вторичным. В зависимости от концентрации углерода различают три группы сталей: эвтектоидные, содержащие около 0,8 % С, структура которых состоит только из перлита; доэвтектоидные, содержащие меньше 0,8 % С, структура которых состоит из феррита и перлита, и заэвтектоидные, содержащие от 0,8 до 2 % С, структура которых состоит из перлита и цементита.
Представленные на диаграмме состояния линии и соответствующие им превращения, часто обозначают буквами с присвоенным им номером, увеличивающимся с ростом температуры и называют критическими точками. Так, например, превращение, происходящее при 727 °С обозначают А1. В тех случаях, когда превращение происходит в процессе нагрева, его обозначают с индексом с например Ас1, а при охлаждении с индексом r – Аr1
Критические точки принадлежащие линии PSK обозначаются Ac1, соответствуют эвтектоидной реакции и началу превращения перлита в аустенит. На линии МО точка Ас2 соответствует магнитному превращению феррита. На линии GS точка Ас3 соответствует концу превращения феррита в аустенит для доэвтектоидных сталей. Для заэвтектоидных сталей точка Ас3 принадлежащая линии SE соответствует окончанию растворения вторичного цементита в аустените.
В соответствии с тем, что фазовые превращения при нагреве и охлаждении протекают с некоторым температурным гистерезисом, то при охлаждении критические точки обозначают с индексом r, например Ar1. Точке Ас2 соответствует магнитное превращение при температуре 768 °С, происходящее при нагреве образца. Напротив, точке Аr2 соответствует магнитное превращение, происходящее при охлаждении образца.
Точке Ас3 соответствует определенной температуре только при заданном составе и соответствует переходу α → γ. Следовательно, обратный переход γ→α характеризуется точкой Аr3. Наконец, точка Ас4 соответствует переходу от кристаллической решетки γ-аустенита к решетке δ-феррита. Обратное превращение δ→γ обозначается точкой Аr4.
В приложении 2 приведен пример анализа процесса охлаждения стали и диаграмма «железо-углерод» на которой показана формирующаяся при охлаждении структура сталей и чугунов.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Изучить предложенную теоретическую часть.
Выбрать вариант задания 1 в соответствии с порядковым номером в учебном журнале
По координатам критических точек в системе Fe – Fe3C построить на миллиметровой бумаге диаграмму состояния указанной системы (используя бумагу формата А4). Указать структуру во всех областях диаграммы.
Рассчитать концентрацию углерода в сплаве, для которого в задании1(таблица 1 в ПРИЛОЖЕНИИ 1) указан вес железа и углерода (формулы для расчетов смотри в справочной литературе). Указать сплав на построенной диаграмме состояния. Определить фазовый состав сплава при Т1 и Т2.
5 Разобрать процесс кристаллизации заданного сплава, письменно отразить характерные стадии процесса и схематично изобразить структуру сплава при комнатной температуре. Охарактеризовать структурные составляющие.
6 Рассчитать относительное соотношение фаз (феррита и цементита) в заданном сплаве при комнатной температуре.
7 Рассчитать интегральную твердость заданного сплава при комнатной температуре. Для расчетов примите:
- твердость феррита НВFe() 80 МПа;
- твердость цементита НВFe3С 800 кг/мм2;
предельной растворимостью углерода в феррите при комнатной температуре можно пренебречь (СмахFe(C) ~ 0.006%)
8 Все полученные результаты занести в таблицу 1 в соответствии с номером варианта задания
9 Перейти к заданию 2. Нанести линии фигуративных точек, соответствующие сплавам, указным в задании 2 на построенную диаграмму «железо-углерод». Описать письменно процессы. происходящие при охлаждении этих сплавов из жидкого состояния до комнатной температуры. Схематично изобразить структуру сплавов при комнатной температуре. Охарактеризовать структурные составляющие.
10 Рассчитать относительное соотношение фаз (феррита и цементита) в каждом сплаве при комнатной температуре.
11 По аналогии с заданием 1 рассчитать интегральную твердость каждого сплава при комнатной температуре.
12 Сравнить фазовый состав и твердость всех проанализированных Вами в заданиях 1 и 2 сплавов и сделать выводы о влиянии химического и фазового состава на твердость сплавов.
13 Письменно ответить на теоретический вопрос (таблица 2 в ПРИЛОЖЕНИИ 1).
14 Сделать вывод по результатам работы.
15 Оформить отчет
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Тема работы.
Построенная диаграмма состояния системы «железо – углерод.
Заполненная таблица 1 для варианта задания 1
Описание процессов кристаллизации всех сплавов, приведенных в заданиях 1 и 2.
Расчет интегральной твердости всех заданных сплавов.
Ответ на теоретический вопрос.
Выводы по работе.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная литература
Материаловедение: Учеб. для вузов/ Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Т.Ф. Косолапов и др.-7-е изд.. испр. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 646 с.
Материаловедение и технология металлов: Учебник/ Под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высш. шк., 2008. – 7002с.
Дополнительная
1 Лахтин Ю. М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980.- 493 с.:ил.
2 Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.
3 Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение: Учебник для вузов – М.: Металлургия, 1989. – 384 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Таблица 1
Варианты заданий
|
Задание 1 |
Задание 2 |
||||
№ варианта |
Массы компонентов |
Фазовый состав |
Содержание углерода в сплавах, в % |
|||
Fe |
C |
Т1, ºС |
||||
1 |
1498,5 г |
1,5 г |
1300 |
1,20 |
3,0 |
5,0 |
2 |
598,8 кг |
1,2 кг |
1510 |
1,50 |
3,5 |
4,9 |
3 |
13,87 кг |
730 г |
1160 |
0,60 |
3,3 |
1,7 |
4 |
596,4 г |
3,6 г |
1100 |
1,00 |
3,8 |
5,2 |
5 |
396,8 кг |
3,2 кг |
650 |
0,50 |
1,6 |
4,0 |
6 |
118,8 т |
1,2 т |
750 |
0.70 |
3,4 |
5.1 |
7 |
798,4 г |
9,6 г |
1400 |
0.40 |
2.8 |
4.7 |
8 |
19,68 кг |
320 г |
1100 |
0.30 |
3.1 |
4.6 |
9 |
98 т |
2 т |
800 |
0.20 |
3.7 |
4.5 |
10 |
1,627 кг |
40 г |
700 |
0.10 |
0.9 |
5.5 |
11 |
416,6 кг |
12 кг |
1200 |
0.35 |
1.2 |
4.3 |
12 |
59 т |
1,95 т |
900 |
0.80 |
1.0 |
4.8 |
13 |
200 г |
7,5 г |
1300 |
0.55 |
1.1 |
4.4 |
14 |
700 кг |
33,8 кг |
1160 |
0.45 |
2.5 |
1.7 |
15 |
0,9 т |
53,4 кг |
650 |
0.25 |
2.7 |
1.8 |
16 |
2,12 т |
150 кг |
1200 |
0.75 |
1.9 |
2.4 |
17 |
3,323 кг |
10 г |
1200 |
0.95 |
2.3 |
5.7 |
18 |
10,945 т |
55 кг |
1455 |
1.35 |
2.9 |
4.7 |
19 |
12,777 т |
0,09 т |
1435 |
1.15 |
3.2 |
5.3 |
20 |
1,652 кг |
15 г |
1400 |
0.65 |
3.8 |
5.8 |
21 |
1,798 т |
20 кг |
1360 |
0.25 |
2.2 |
5.2 |
22 |
9,11 т |
0,12 т |
1400 |
0.15 |
2.6 |
4.4 |
23 |
8451 кг |
120 кг |
1335 |
0.10 |
3.1 |
5.3 |
24 |
1,132 кг |
35 г |
1050 |
0.50 |
1.4 |
4.9 |
25 |
1,486 т |
70 кг |
1100 |
0.70 |
0.95 |
3.0 |
Таблица 2
Результаты расчетов и анализа диаграммы
№ варианта |
Массы компонентов |
Концентрация углерода, Сс, масса % |
Доля фаз при Т2= 295ºК |
Фазовый состав |
Расчетная твердость НВ, кг/мм2 |
|||
Fe |
C |
Феррит- |
цементит |
Т1, ºС |
фазы |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3
Варианты теоретических вопросов
№ варианта |
Вопрос |
1 |
2 |
1 |
Чем можно объяснить большую растворимость углерода в -железе (ГЦК) по сравнению с -железом (ОЦК) ? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 20ХН3А |
2 |
Какие фазы образуются в системах Fe – Fe3C и Fe – C ? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: ВСт3 |
3 |
Почему с ростом концентрации углерода в сплавах Fe – Fe3C увеличивается их твердость. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Р18
|
4 |
Почему с ростом концентрации углерода в сплавах Fe – Fe3C увеличивается их твердость. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: ШХ15 |
5 |
Что собой представляет критическая точка А1? Изменяется ли ее значение в зависимости от концентрации углерода в сталях? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 40 |
6 |
Что такое полиморфное превращение? Поясните по диаграмме "Fe – Fe3C". Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: У10 |
7 |
Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 30ХГС |
8 |
В чем разница между эвтектическим и эвтектоидным превращением (на примере диаграммы "Fe – Fe3C")? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Х |
9 |
К какому виду соединений относится цементит? Каковы его свойства. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 9ХНМ |
10 |
К какому виду соединений относится аустенит? Каковы его свойства. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: У7 |
11 |
К какому виду соединений относится феррит? Каковы его свойства. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 40Х |
12 |
Как с изменением концентрации углерода изменяется структура сталей. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 30 |
13 |
Термодинамические условия образования стабильной фазы графита в системе Fe – Fe3C. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 40 |
14 |
Как изменится структура перлита при уменьшении концентрации углерода меньше эвтектоидной? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Р6М5К5
|
1 |
2 |
15 |
Почему сера, фосфор, кислород и водород относятся к вредным примесям в сталях? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Ст0 |
16 |
Как изменится структура перлита при увеличении концентрации углерода выше эвтектоидной? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 50 |
17 |
В чем различия между перетектической и эвтектической реакциями (на примере системы "Fe – Fe3C")? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 50Х2 |
18 |
В чем различия между перетектической и эвтектоидной реакциями (на примере системы "Fe – Fe3C")? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 12Х18Н10Т |
19 |
Какие фазы и какие структуры формируются при кристаллизации в системе "Fe – Fe3C"? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 38ХС |
20 |
Что собой представляет критическая точка А3? По какой линии диаграммы она изменяет свое значение для доэвтектоидных сталей? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 20Х2Н4 |
21 |
При какой концентрации углерода формируется структура ледебурита? Каков ее фазовый состав, морфология и свойства? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 110Г13 |
22 |
При какой концентрации углерода формируется структура перлита? Какой ее фазовый состав, морфология и свойства? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 20ХГФ |
23 |
При каких условиях возможно образование чисто ферритной структуры сталей? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: ХВГ |
24 |
При каких условиях возможно образование чисто аустенитной структуры стали при комнатной температуре? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: У13 |
25 |
В чем различия между твердыми растворами – Fe (феррит), – Fe (аустенит) и химическим соединением Fe3C (цементит)? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: 20 |