2. Задание 2

Начертить диаграмму состояний железо-цементит, провести на ней ординату, соответствующую сплаву 0,5%С, обозначить на ней все критические точки.

Рядом с диаграммой справа начертить кривую охлаждения данно­го сплава, показав связь критических точек на диаграмме и кривой ох­лаждения.

Описать сущность превращений, происходящих в сплаве при мед­ленном охлаждении от температуры в жидком состоянии до комнатной. Обязательно пояснить причины вызывающие превращения.

На ординате сплава отметить точку, соответствующую температуре 730С и провести через нее коноду. Пользуясь правилом отрезков, определить состав фаз, их количество и процентное содержание компонентов.

Ответ:

Диаграмма состояния Fe–Fe₃C (рис. 4) характеризует фазовый состав и структуру в системе с концентрацией от чистого железа до цементита, содержащего 6,67 % С. По оси абсцисс диаграмма имеет две шкалы, показывающих содержание углерода в сплаве и количество цементита. Координаты характерных точек приведены в табл. 1.

Рис. 4. Диаграмма состояния Fe–Fe₃C

Табл. 1. Характерные точки диаграммы состояния железо–цементит

Точки А и D характеризуют температуру плавления железа и цементита соответственно. Точки N и G – температуры полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют максимальную растворимость углерода в ОЦК решетке железа в высокотемпературной и низкотемпературной областях. Точка Е определяет максимальную растворимость углерода в железе с ГЦК решеткой. Фазовые превращения в системе Fe–Fe₃C происходят как при затвердевании из жидкого агрегатного состояния, так и в твердом агрегатном состоянии. Первичная кристаллизация идет в областях между линиями ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация в твердом агрегатном состоянии является следствием полиморфного превращения железа и изменения растворимости углерода в железе с изменением температуры.

На линии ликвидус начинается кристаллизация из расплава соответственно на участке АВ – феррита (δ) , на участке ВС – аустенита (А) и на участке СD – цементита первичного (Ц_I). На линиях АН и JЕ завершается кристаллизация δ и аустенита из жидкой фазы (L). Для диаграммы Fe–Fe₃C характерны три изотермических превращения:

– перитектическое на линии HJВ при температуре 1499 °С

δ_Н + L_B А_J;

– эвтектическое на линии ECF при температуре 1147 °С

Ж_C А_E + Ц_F;

– эвтектоидное на линии PSK при температуре 727 °С

А_S α_P + Ц_K.

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита вторичного – перлитом (П). Ледебурит и перлит рассматривают как самостоятельные структурные составляющие. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и обладает высокими механическими свойствами: _в = 800…900 МПа, _0,2 = 450 МПа, δ  16%, твердость 1800…2200 НВ.

Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. Сотовая структура образуется при медленном охлаждении и представляет собой пластины цементита, переплетенные кристаллами аустенита. Большое количество цементита, присутствующего в ледебурите, обеспечивает его большую твердость, порядка 6000 НВ, и хрупкость, что затрудняет механическую обработку сплавов с ледебуритной структурой.

Стали в зависимости от содержания углерода подразделяются на эвтектоидные, содержащие ~ 0,8 % С, доэвтектоидные (от 0,02 до 0,8 % С) и заэвтектоидные (более 0,8 и до 2,14 % С).

Сплав, содержащий 0,5% углерода носит название доэвтектоидная сталь, структура ниже 727С феррит + перлит (фазы феррит + цементит).

Рис. 5. Часть диаграммы состояния железо-цементит, сталь 0,5% С, кривая охлаждения

Все стали так же, как и техническое железо, кристаллизуются по типу твердых растворов. При содержании углерода до 0,51%, в нашем случае 0,5%, при первичной кристаллизации в сплаве образуется δ-феррит, т.1 (рис. 5), число степеней свободы С = 2 – 2 + 1 = 1, температура может снижаться. Ниже точки 1 сплав имеет двухфазную структуры жидкого расплава и δ-феррита.

В точке 2 идет перитектическое превращение (1496 °С), завершающееся образованием аустенита c избыточной жидкостью, C = 2 – 3 + 1 = 0, температура не снижается пока не завершится превращение. После завершения всех этапов кристаллизации ниже линии солидус т.3 в стали формируется однофазная аустенитная структура. При температуре 1440ºС сплав имеет однофазную аустенитную структуру с двумя степенями свободы, т.е. температура может изменяться (С = 2 – 1 + 1 = 2).

Уменьшение температуры ниже критических точек вызывает развитие превращений в твердом состоянии. Фазовая перекристаллизация аустенита идет в две стадии: полиморфное превращение γ → α (ниже линии GS, т.4, C = 2 – 2 + 1 = 2) и эвтектоидное превращение (участок 5 – 5') с образованием эвтектоида (перлита) γ_S → α_P + Fe₃C (на линии PSK, т.5, C = 2 – 3 + 1 = 0). Перлит (α_P + Fe₃C) имеет пластинчатое строение.

Для нашего сплава формирование его структуры при охлаждении происходит по следующей цепочке превращений:

Условия развития превращений

Δt ниже линии АВ

t = const на линии HIB

Δt ниже линии HIB

Δt ниже линии IE

Δt ниже линии GS

t = const на линии PS

Δt ниже линии PS

Фазовый состав

L

↓

L + δ

→

δ → γ

↓

L + γ

↓

γ

↓

α + γ

→

γs → (αp + Fe3C)

↓

αp + (αp + Fe3C)

Структура

Ж

→

Ж + Фδ

→

Фδ → А

→

Ж + А

→

А

→

Ф + А

→

А → Ф + Ц

→

Ф + П

Окончательная структура: феррит + перлит.

Определим состав фаз, их количество и процентное содержание компонентов, составляющих эти фазы при температуре 730ºС (см. рис. 5, конода abс):

Состав фаз: феррит + аустенит, феррит содержит 0,019%С, а аустенит 0,79%С.

Определим количественное содержание:

Q_α = bc/ac = (0,79 – 0,5) / (0,79 – 0,019) = 0,38 или 38%

Q_γ = 100 – 38 = 62 %

Количественное соотношение: Q_α : Q_γ = 38 : 62 ≈ 1 : 1,6.