Вариант 9

1. Вычертите диаграмму Fe-C, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3,2% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Отметим указанный сплав, содержащий 3.2% С на диаграмме (рис. 1) и построим кривую охлаждения сплава.

Рис. 1. Диаграмма состояния системы железо-цементит (слева) и кривая охлаждения чугуна, содержащего 3,2% углерода (справа).

Восстанавливаем перпендикуляр из отметки 3,2% С на оси абсцисс до () 1.

В ()1 сплав находится в жидком состоянии, т.е. существует только одна фаза – жидкий раствор углерода в железе. Следовательно, число степеней свободы, согласно правилу фаз Гиббса, будет равно: С = к + n – ф (где к – число компонентов, для системы железо-цементит, к = 2, двухкомпонентная система; n – число внешних переменных факторов, в данном случае при рассмотрении равновесия в металлических сплавах, находящихся под воздействием атмосферного давления, единственным внешним переменным фактором является температура, поэтому n = 1; ф – число фаз) С = 2 + 1 – ф = 3 – ф = 3 – 1 = 2. При двух степенях свободы равновесие в системе не нарушается даже при одновременном изменении температуры и концентрации сплава в определенных пределах. При понижении температуры в сплаве не будет происходить никаких превращений, и температура будет падать быстро, кривая охлаждения идет круто вниз до ()1. На участке кривой указываем фазовое состояние сплава «L» и число степеней свободы, равное 2 (L, С = 2 + 1 – 1 = 2).

(·)2. Соответствует пересечению нашей вертикали с линией ВС диаграммы состояния, соответствующей началу кристаллизации аустенита. Следовательно, в сплаве появляется вторая фаза – аустенит, число степеней свободы уменьшается (С = 2 + 1 – 2 = 1), кривая охлаждения станет более пологой до температуры, соответствующей следующей критической точке 3. На участке 2 – 3 фазовой состояние отвечает «L + », а число степеней свободы, равно С = 2 + 1 – 2 = 1. При изменении температуры в пределах точек 2 и 3 изменяется соотношение между жидкой и твердой фазами, но равновесие не нарушается.

(·)3. Соответствует эвтектическому превращению. При t_э (1147 °С), происходит эвтектическая кристаллизация, и образуется ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием углерода 2,14 %. Таким образом, L_С  Л ( + Fe₃C), а число степеней свободы С = 2 + 1 – 3 = 0, и система нонварианта, три фазы могут находится в равновесии только при строго постоянной температуре. На кривой охлаждений это отражено отрезком 3 – 3’. На отрезке 3’ – 4 в равновесии находятся две фазы: цементит и ледебурит (эвтектическая смесь аустенита и цементита). На кривой охлаждения обозначаем: Fe₃C + Л ( + Fe₃C), С = 2 + 1 – 2 = 1.

(·)4. Т₄ = 727^оС, в равновесии находятся аустенит, цементит, а также перлит (механическая смесь феррита и цементита), который перекристаллизовывается из оставшегося аустенита, содержащего 0,8%С. Следовательно, _0,8  П ( + Fe₃C), С = 2 + 1 – 3 = 0 и на кривой охлаждения будет горизонтальное плато 4-4’, соответствующее описанному эвтектоидному превращению; ниже (·)4’ происходит охлаждение сплава, в котором сосуществуют фазы: цементит + перлит + ледебурит (С = 2 + 1 – 2 = 1).

Сплав железа с углеродом, содержащий 3,2%С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре – перлит + цементит + ледебурит (П+Ц).