Структурообразование и дефекты структуры. Экзаменационные вопросы и примеры задач
I. Стали и чугуны.
1. Стабильное и метастабильное равновесие в системе Fe-c.
1.1 Перечислите причины формирования метастабильного цементита вместо стабильного графита в сплавах Fe-C.
Выделение цементита вместо графита происходит в случае больших скоростей охлаждения сплава при его затвердевании. Термодинамически появление эвтектического цементита возможно при переохлаждении жидкого чугуна ниже линии ECF, а первичного цементита – ниже CD. При больших переохлаждениях развитие зародышей цементита кинетически легче осуществимо, чем развитие зародышей графита. В сталях графита, как отдельной структурной составляющей не образуется.
Концентрационная причина – Зародыши кристаллов цементита растут быстрее так
как по содержанию в них углерода они гораздо ближе чем графит к жидкой фазе (6,67 и 100% соответственно), в которой они развиваются.
Деформационна причина – наблюдается тогда, когда фазовые превращения идут в твердом состоянии. Из за различия удельных объемов фаз, из аустенита цементит образуется легче чем графит (Vуд(Г)>Vуд(Fe3C)).
Кристаллографическая причина – в твердом состоянии большую роль играет энергия границ, чем она больше, тем больше энергия образования зародыша. Решетки Г и γ различаются настолько сильно, что их сопряжение невозможно.
1.2 Как изменение содержания углерода в сплавах Fe-C влияет на вероятность формирования цементита (вместо графита)?
Количество углерода в сплаве увеличивает вероятность образования графита, так как состав сплава приближается к графиту. Наиболее активно графит выделяется из жидкой фазы в заэвтектических чугунах.
1.3 Почему при обычных скоростях охлаждения расплавов Fe-C с малым содержанием углерода вместо графита появляется цементит?
Сплавы с малым содержанием углерода – стали. При охлаждении стали происходит полная кристаллизация сплава в твердую аустенитную фазу. Следовательно графит, должен будет расти в твердой фазе. Из-за малых величин переохлаждения (от 738 до 723С) выигрыш свободной энергии не велик, на практике образование графита в твердой фазе возможно только при наличии затравки графита, как в серых чугунах. В твердой среде образование цементита более выгодно нежели графита, по причинам 2,3 вопроса 1.1.
1.4 Почему при 1000 оС содержание углерода в аустените при его равновесии с графитом меньше, чем при равновесии с цементитом?
Это связано с минимумом термодинамического потенциала в равновесии. Минимальное значение термодинамического потенциала в случае стабильного равновесия меньше, чем для метастабильного, поэтому различаются свободная энергия и содержание углерода в равновесии.
2. Превращения аустенита в сплавах Fe-c.
2.1 Опишите механизм перлитного превращения в углеродистых сталях.
Механизм – способ перемещения атомов при формировании структуры. При температурах ниже 723С происходит эвтектоидное превращение с образованием колоний перлита. Зарождение происходит на границах зерен аустенита. Происходит кооперативный рост, т.е. образование одной фазы способствует росту другой вдоль границы раздела.При поперечном росте образуются новые слои феррита и цементита, а дальнейший рост осуществляется в продольном направлении. В местах обозначаемых Х образуются области обедненные углеродом, что является стимулом для зарождения α фазы, потом процесс повторяется. Перераспределение углерода проходит вдоль фронта кристаллизации путем его диффузии в аустените (разделяющая диффузия) от мест обогащения (возле Ф) к местам обеднения (Ц).
2.2 Почему феррит и цементит в перлите имеют пластинчатую форму?
Перлит – продукт эвтектоидного превращения. При эвтектоидном превращении самая выгодная форма (с точки зрения упругой энергии) для образующихся кристаллов – иглы или пластинки. Чем выше симметрия кристаллов, тем больше вероятность образования пластинчатых колоний.
Минимизация граничной энергии внутри перлитной колонии приводит к сопряжению пластин феррита и цементита кристаллографическими плоскостями с близким структурным и размерным соответствием: (101)ц и {112}ф или (001)ц и {125}ф.
2.3 Чем сорбит отличается от троостита?
Межпластинчатым расстоянием (толщиной пластинок феррита или расстоянием между пластинками цементита). Для сорбита Δ=0,3-0,5мкм, для троостита Δ=0,1-0,2мкм.
2.4 Нарисовать график зависимости массовой доли перлита как структурной составляющей от содержания углерода для сплавов Fe-Fe3C.
Перлит, как структурная составляющая присутствует только в сталях и серых чугунах. Массовая доля перлита в СЧ расчитывается так же как и в сталях, только при поправке на массовую долю свободного графита. В белых чугунах перлит как отдельная СС не присутствует. При 0,025%С mперлита=0, при 0,8 mперлита=1, при 2,06 mперлита=(6,67-2,06)/(6,67-0,8)=0,79.
2.5 В углеродистой стали толщина пластины цементита внутри эвтектоида равна 0,15 мкм. Как называется эвтектоид – перлитом, сорбитом или трооститом?
Толщины пластинок в перлите находятся в постоянном соотношении – около Ф:Ц = 7,3:1. Соответственно толщина пластинок феррита в перлите Δ=7,3*0,15=1,095мкм. Это значение соответствует перлиту.
2.6 Нарисуйте С-образную диаграмму превращений аустенита при охлаждении до- и заэвтектоидной стали.
2.7 Какие процессы протекают в стали при аустенитизации?
В процессе аустенитизации происходит частичное растворение цементита, углерод диффундирует в феррит, так как растворимость углерода в феррите увеличивается с ростом Т. В результате обогащения состав близок к точке Р, происходит полиморфное превращение α->γ. Зародыши аустенита часто возникают на границе Ф-Ц. Диффузия углерода происходит через образовавшийся аустенит, так как на границе с цементитом он обогащен С, а на границе с ферритом обеднен. Цементит растворяется и отдает углерод ближайшему аустениту, который в свою очередь отдает углерод ферриту, что создает условия для дальнейшей перестройки решетки феррита.
