2.2 Анализ фазового состава диаграммы состояния «железо — цементит»

2.2.1 Анализ диаграмм фазового равновесия сплавов системы «железо-цементит»

Рассмотрим области диаграммы состояния «железо — цементит» (см. рису­нок 6), которые отвечают равновесным состояниям сплавов системы, и основные фазовые превращения.

Однофазные области диаграммы состояния Fe — Fe₃C:

• жидкая фаза L — расплавы выше линии ликвидуса ABCD;

• феррит Ф: высокотемпературная область — левее линии AHN; низкотемпературная область — левее линии GPQ;

• аустенит А — область ограничена линией NJESG;

• цементит Ц— вертикальная линия DFKL.

В двухфазных областях в равновесии находятся:

• жидкий раствор и кристаллы феррита (АВН);

• кристаллы феррита и аустенита (HJN и GSP);

• жидкий раствор и кристаллы аустенита (JBCE);

• жидкий раствор и цементит (CDF);

• кристаллы аустенита и цементита (SECFK);

• кристаллы феррита и цементита (QPSKL).

Трехфазным равновесным состояниям сплавов отвечают горизонтальные ли­нии на диаграмме состояния:

- при t = 1499⁰C (линия HJB Это обстоятельство определяет два варианта диа­граммы состояния «железо — углерод» (рис. 6) в сплавах с концентрацией углерода от 0,1 до 0,51% происходит перитектическое превращение в результате взаимодей­ствия кристаллов феррита с жидким раствором:

L_(B)+Ф_(H)→A_(J) — аустенит; (1)

- при t— 1 147⁰C (линия ECF) в сплавах с концентрацией углерода от 2.14 до 6.67% происходит эвтектическое превращение:

L_(C)→A_(E)+Ц— ледебурит; (2)

- при t = 727⁰C (линия PSK) в сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% происходит эвтектоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на дисперсную механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита:

A_(s)→ Ф_(Р) + Ц— перлит. (3)

Составы и количества фаз в системе «железо — цементит» можно опреде­лить на коноде с помощью правила отрезков. Структурный качественный и коли­чественный состав сплавов определяется также с помощью коноды, однако ее концы должны быть ограничены линиями соответствующих структурных состав­ляющих.

2.2.2 Анализ структурного состава

Формирование структур в сплавах можно изучить, анализируя по диаграм­ме процессы, происходящие в них при охлаждении или нагревании. Рассмотрим области диаграммы, которые отвечают равновесным состояниям сплавов системы.

В процессе эвтектического превращения жидкий раствор затвердевает в виде ледебурита. Во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при температуре 727°С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение, причиной которого является полиморфное превращение Fe_γ→Fe_α, В результате эвтектоидного превращения происходит распад аустенита, приводящий к образованию перлита. Цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных темпера­турах. Цементит, выделяющийся за счет изменения растворимости при понижении температуры из жидкой фазы, называют первичным (Ц₁, из аустенита — вторичным (Ц_II), а из феррита — третичным (Ц_III ).

Проследим за формированием структуры сталей с содержанием углерода 1,5% при их медленном охлаждении, начиная с температуры 1600°С. Критические точки, соответствующие температурам превращений, показаны на фигуративных линиях рисунка 9.

До температуры 1450⁰C (точка 1) заэвтектоидная сталь с 1,5% углерода на­ходится в жидком состоянии. При t — 1450⁰C начинается процесс кристаллизации. В интервале температур 1450—1250"С (точки 2, 3) в сплаве сосуществуют две фа­зы: жидкий раствор и аустенит. В интервале температур 1250—950⁰C (точки 3, 4) сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений; состав сплава представлен аустенитом. При охлаждении сплава ниже 950⁰C (точка 4) аустенит с концентрацией уг­лерода 1,5% становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диф­фундирует к их границам и здесь выделяется в виде цементита вторичного.

Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 950 до 727⁰C (точки 4, 5) изменяется согласно линии ES от точки 4 к точке S:

^А_{(4-5) 950-727}^о_С ^{→ Ц}_I ⁽⁴⁾

При температуре 727°С (точка 5) в сплаве происходит эвтектоидное превра­щение, в результате которого образуется перлит. Ниже температуры 727°С растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного (Ц_III) (точки 5,6).

Рисунок 9- Схема для изучения превращений, происходящих в стали с со­держанием углерода 1,5% при медленном охлаждении:

а)— диаграмма состояния;

б)— кривая кристаллизации сплава

Схема структур и состав фаз, а также структурных составляющих для рас­сматриваемого случая приведены на рисунке 10.

В качестве примера рассмотрим расчет весового количества структурных состав­ляющих и фаз с помощью правила отрезков в заэвтектоидной стали с 1,5% углерода при 600⁰C (см. рисунок 9).

Содержания структурных составляющих определяются последовательно по мере их образования в процессе охлаждения сплава с применением правила отрезков для двух сосуществующих фаз или структурных составляющих по коноде abc6def. Величину отрезков будем измерять в процентах углерода. Считаем, что концентрация в точке а 0,01 % углерода.

Определим фазовый состав в точке 6:

Количество структурных составляющих в точке 6:

Учитывая некоторые особенности в использовании коноды для области диаграм­мы, где находятся три структурные составляющие, рассмотрим расчет для такого случая на примере точки 7 (содержание углерода 4% при температуре 600⁰C):