1.2 Пример решения задач по диаграммам состояния железо - карбид железа
Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа. Укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600°С до 0 °С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,0% С. Для заданного сплава при температуре 1380°С определите состав и количественное соотношение.
1. Вычерчивается диаграмма состояния железо - карбид железа c указанием в областях, ограниченных линиями ACD,AECF,GECF,GPQ,PSK:
а) фаз - (жидкость,жидкость +твердая фаза, твердая фаза);
б) структурных составляющих аустенита(А), феррита(Ф), перлита(П), цементита(Ц), ледебурита(Л) и их смесей.
Рисунок 1.1 - Диаграмма состояния железо - карбид железа
2. Сплав, содержащий 1,0% С соответствует заэвтектоидной стали
(У 10)
На горизонтальной оси откладываем точку соответствующую 1,0%С и проводим вертикальную линию вверх до 1600 °С .
Указанный сплав (Сталь 40) содержит 0,4 % углерода и отмечен вертикальной линией, которая имеет следующие характерные точки:
1 – расплав (область жидкого металла);
2 – линия ликвидус;
3 – линия перитектической реакции (Жв + ФH →АJ);
4 – линия солидус;
5 – критическая точка А3;
6 – критическая точка А1;
7 – комнатная температура.
Рисунок 1.2 - Кривая охлаждения Стали 40
От температуры 1 до температуры 2 происходит охлаждение расплава. При температуре 2 из расплава начинает выделяться Феррит (Ф). В точке 3 происходит перитектическая реакция Жв + ФH →АJ, и до точки 4 сплав находится в состоянии двух фаз – А+Ж. В точказ от 4 до 5 сплав имеет однофазную Аустенитную (А) структуру. В точке 5 из Аустенита (А) начинает выделяться вторичный Феррит (Ф) и этот процесс продолжается до точки 6. В точке 6 происходит эвтектоидное превращение, при котором Аустенит распадается на Перлит (П) - механическую смесь Феррита и Цементита (А0,8% → П (Ф + ЦII), в результате при комнатной температуре сплав имеет структуру Перлита и избыточного Феррита. Согласно правилу фаз (C = K – Ф + 1, К – количество компонентов, Ф – количество фаз): Для точки 2: C2 = 2 – 2 + 1 = 1, т.е. температура может снижаться, но при появлении второй фазы будет выделяться скрытая теплота и скорость охлаждения будет снижаться. Для точки 3: C3 = 2 – 3 + 1 = 0. В точке перитектического превращения одновременно существует три фазы – расплав (Ж), Феррит (Ф) и Аустенит (А). Это означает, что до завершения превращения процесс будет протекать без изменения температуры. В зоне от 3 до 4 сплав состоит из двух фаз (С = 1), от 4 до 5 имеем однофазную зону (А), где правило фаз обычно не используется (C = 2 – 1 +1 = 2). Начиная с точки 5 из А-та выделяется Феррит (Ф) и согласно правилу фаз: C = 2 – 2 + 1 = 1. Процесс выделения Ф-та продолжается до точки 6, в связи с выделением скрытой теплоты кристаллизации второй фазы скорость охлаждения замедлится. В точке 6 Аустенит обогатится углеродом до эвтектоидного состояния и произойдет превращение А0,8% → П (Ф + ЦII). Т.к. в равновесии будут находиться три фазы (C=0) и превращение протекает без изменения температуры. Ниже точки 6 сплав имеет двухфазную структуру, которая охлаждается без каких-либо изменений и без выделения скрытой теплоты. Выберем температуру (а) в двухфазной зоне (Ж + А) и посредством правила отрезков определим количество данных фаз и содержание в них углерода. Через точку (а) проведем горизонтальную линию до встречи с основными линиями диаграммы – точка (b)-линия солидуса и точка (c) – линия ликвидуса. Количество Аустенита (QA) определяется как отношение ac/bc ·100: Количество расплава (Qж) определяется как отношение ba/bc ·100: Сталь 40 имеет следующие структурные составляющие: - Аустенит (А) — это твердый раствор углерода в γ- железе. Максимальное содержание углерода в аустените составляет 2,14% (при температуре 1147°С) и 0,8 % при 727 0С. - Феррит (Ф) - твердый раствор углерода в α- железе. Максимальное содержание углерода в феррите составляет 0,02% при температуре 727°С. Твердый раствор углерода в высокотемпературной модификации (Feδ) называют δ- ферритом или ысокотемпературным ферритом. - Перлит (П) — это механическая смесь феррита с цементитом. Содержит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита.