Задание 25
Условие.
Начертите диаграмму состояний сплавов железо-цементит. Для сплава с содержанием углерода 3,1 % постройте кривую охлаждения. Опишите фазовые и структурные превращения, которые будут происходить в сплаве при медленном охлаждении из расплавленного состояния до нормальной температуры. Определите вес фаз, а если возможно, то и структуру в двух произвольно выбранных областях диаграммы.
Решение.
1. Проводим на диаграмме состояния железо-цементит вертикальную красную линию, соответствующую заданному сплаву с 3,1 % С (рис. 4).
температура (°С)
1600
жидкость
1300
жидкость
+ аустенит
перлит + цементит
+
+
ледебурит
727
1147
аустенит
+ цементит + + ледебурит
время
Рис. 4. Кривая охлаждения.
2. Отмечаем точки пересечения вертикальной линии с линиями диаграммы и из них проводим горизонтальные пунктирные синие линии.
3. Строим справа вертикальную ось температур и горизонтальную ось времени.
4. Строим нисходящую кривую охлаждения.
5. Определяем состав фаз при охлаждении сплава:
до 1300 °С сплав находится в жидкой фазе;
в промежутке 1300 – 1147 °С из сплава выделяется твердый аустенит, сплав состоит из жидкости и аустенита;
начиная с 1147 °С, сплав состоит из твердой фазы;
при 1147 °С образуется цементит, и в промежутке 1147 – 727 °С сплав состоит из аустенита, цементита и ледебурита (эвтектики);
при температуре 727 °С происходит превращение аустенита в перлит, и ниже этой температуры сплав состоит из перлита, цементита и ледебурита.
6. Для определения веса фаз в сплаве при произвольной температуре 1250 °С проведем горизонтальную линию, соответствующую этой температуре. На пересечении с вертикалью, соответствующей заданному сплаву с 3,1 % углерода, получим точку X (рис. 5).
X
Y
Z
Рис. 5. Определение веса фаз.
Сплав в точке X состоит из двух фаз – жидкости и аустенита. Концентрация жидкости изменяется по кривой ВС, концентрация аустенита – по кривой JE. Проведем из точек пересечения горизонтальной линии, соответствующей температуре 1250 °С, с кривыми ВС и JE (точек Y и Z) вертикальные линии до пересечения с горизонтальной осью концентраций. Получим, что:
жидкость состоит из 3,5 % углерода и 100 – 3,5 = 96,5 % железа;
аустенит состоит из 1,5 % углерода и 100 – 1,5 = 98,5 % железа.
Пусть масса сплава в точке Х равна 1 кг. Тогда в соответствии с правилом отрезков масса жидкости составит:
,
что соответствует 0,80 кг.
Масса цементита составит:
,
что соответствует 0,20 кг.
7. Для определения веса фаз в сплаве при произвольной температуре 1000 °С проведем горизонтальную линию, соответствующую этой температуре. На пересечении с вертикалью, соответствующей заданному сплаву с 3,1 % углерода, получим точку X (рис. 6).
X
Y
Z
Рис. 6. Определение веса фаз.
Сплав в точке X состоит из аустенита, цементита и ледебурита (эвтектической смеси цементита и аустенита). Поэтому в целях данной задачи считаем, что сплав состоит из аустенита и цементита. Концентрация аустенита изменяется по кривой ЕО, концентрация цементита – по кривой FК. Проведем из точек пересечения горизонтальной линии, соответствующей температуре 1000 °С, с кривыми ЕО и FК (точек Y и Z) вертикальные линии до пересечения с горизонтальной осью концентраций. Получим, что:
аустенит состоит из 1,6 % углерода и 100 – 1,6 = 98,4 % железа.
цементит состоит из 6,7 % углерода и 100 – 6,7 = 93,3 % железа;
Пусть масса сплава в точке Х равна 1 кг. Тогда в соответствии с правилом отрезков масса цементита составит:
,
что соответствует 0,29 кг.
Масса аустенита составит:
,
что соответствует 0,71 кг.