Анализ диаграммы фазового равновесия сплавов системы «ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ» (90

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра механики пластического деформирования

Анализ диаграммы фазового равновесия сплавов системы

«ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению практических заданий по дисциплине

«Материалы бытовой техники»

Составитель Н.В. Тарасова

Липецк Липецкий государственный технический университет

2012

УДК 669.017(07)

Т 191

Рецензент – О.И. Огаджанян

Тарасова, Н.В.

Т 191 Анализ диаграммы фазового равновесия сплавов системы

«ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ» [Текст] / сост.: Н.В. Тарасова. – Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2012. – 24 с.

Методические указания предназначены для студентов направления подготовки «Сервис». Содержат краткие теоретические сведения о формировании структуры сплавов системы «Fe – Fe3C» и правилах расчета количества фазовых и структурных составляющих сплава, примеры анализа диаграммы фазового равновесия сплавов системы «Fe – Fe3C» и практические расчетные задания.

Рис. 15. Библиогр.: 6 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2012

Цементит Fe3C – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) с концентрацией углерода 6,67%.

Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода.

По содержанию углерода и наличию структурных составляющих различают следующие группы чугунов:

–доэвтектические с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%;

–эвтектические с содержанием углерода 4,3%;

–заэвтектические с содержанием углерода более 4,3%.

Чугуны белые – чугуны, кристаллизующиеся подобно углеродистым сталям по метастабильной диаграмме состояния Fe – Fe3C, углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита; имеет белый блестящий излом.

Теоретическая часть

Сплавы железа являются наиболее широко распространенными.

Основные из них – железоуглеродистые сплавы: стали и чугуны. О

хозяйственном потенциале каждой большой страны можно судить по производству и потреблению стали и чугуна, например, в экономике России данная группа сплавов составляет до 90% металлофонда, являясь основными конструкционными материалами. Исторически широкое развитие производства стали и чугуна определялось распространенностью в земной коре железных руд, их дешевизной и легкой восстановимостью. Наиболее важная черта железа, вызвавшая его преимущественное применение на практике, – это его способность значительно упрочняться в результате

аллотропического превращения. Особенно сильно упрочняются сплавы железа с углеродом и другими элементами.

Фазовый состав и структура промышленных сплавов, полученных при медленном охлаждении до комнатной температуры, описывается диаграммой состояния «железо – углерод» (Д.К. Чернов, 1868), которую обычно изображают для соединения Fe3C – цементита. Это определяет широкое использование диаграммы состояния «железо – цементит» для выбора оптимальных режимов производства и термической обработки железоуглеродистых сплавов.

Цель практического расчетного задания – изучение диаграммы состояния «железо – цементит», анализ превращений, происходящих в сплавах этой системы, определение состава и весового количества фазовых и структурных составляющих при заданных температурах.

1. Общие сведения

Основными компонентами сталей и чугунов являются железо и углерод.

Железо – металл серебристо-серого цвета, принадлежащий к VIII группе периодической системы, атомная масса 55,85, плотность 7,86 г/см3,

температура плавления 1539°С. В соответствии с диаграммой состояния

«железо – углерод» железо существует в двух аллотропических модификациях:

– α- и δ-железо стабильны при температурах до 910ºС и в интервале температур от 1400 до 1539°С, соответственно; имеют кубическую объемноцентрированную решетку с периодом 0,286 и 0,293 нм, соответственно

(рис. 1, а, б, г);

– γ-железо устойчиво в интервале температур от 910 до 1400°С и имеет гранецентрированную кристаллическую решетку с периодом 0,356 нм (рис. 1, в).

Рис. 1. Полиморфные модификации железа и их взаимный переход

До температуры 768°С железо ферромагнитно. Температуру 768°С,

соответствующую переходу α-железа из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри.

Углерод – неметаллический элемент, принадлежащий к IV группе периодической системы, атомная масса 12,01, плотность 2,25 г/см3,

температура плавления – 3500°С. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состоянии, может также присутствовать в виде химического соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах – в виде графита.

Углерод в зависимости от внешних условий может находиться в равновесии с жидкой фазой и с твердыми растворами на основе железа в виде цементита (метастабильное равновесие) или графита (стабильное равновесие). Это обстоятельство определяет два варианта диаграммы

Рис. 2. Диаграмма состояния «Железо – углерод»: метастабильная система

состояния «железо – углерод» (рис. 2, табл. 1). Практическое значение имеет метастабильная диаграмма состояния, с помощью которой объясняют превращения, происходящие в сталях и белых чугунах, и назначают оптимальные режимы их термообработки.

Таблица 1

Координаты критических точек диаграммы состояния «железо – цементит»

В системе Fe – Fe3C (рис. 2) различают следующие фазы: жидкий раствор,

твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит. К структурным составляющим относят: феррит, перлит, цементит и ледебурит.

2. Анализ фазового состава диаграммы состояния «железо – цементит»

За основные фазовые превращения и равновесные состояния сплавов системы отвечают следующие области диаграммы состояния «железо – цемен-

тит»:

Однофазные области диаграммы состояния Fe – Fe3C:

–жидкая фаза L – расплавы выше линии ликвидуса ABCD;

–феррит Ф: высокотемпературная область – левее линии AHN;

низкотемпературная область – левее линии GPQ;

–аустенит А – область ограничена линией NJESG;

–цементит Ц – вертикальная линия DFKL.

В двухфазных областях в равновесии находятся:

–жидкий раствор и кристаллы феррита (АВН);

–кристаллы феррита и аустенита (HJN и GSP);

–жидкий раствор и кристаллы аустенита (JBCE);

–жидкий раствор и цементит (CDF);

–кристаллы аустенита и цементита (SECFK);

– кристаллы феррита и цементита (QPSKL).

Трехфазным равновесным состояниям сплавов отвечают гори-

зонтальные линии на диаграмме состояния:

– при t = 1493°С (линия HJN) в сплавах с концентрацией углерода от 0,1 до

0,51% происходит перитектическое превращение в результате взаимодействия кристаллов феррита с жидким раствором:

– при t = 1147°С (линия ECF) в сплавах с концентрацией углерода от 2,14

до 6,67% происходит эвтектическое превращение:

– при t = 727°С (линия PSK) в сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% происходит эвтектоидное превращение – распад аустенита на дисперсную механическую смесь чередующихся пластин феррита и цементита:

3. Анализ фазового и структурного составов железоуглеродистых сплавов

Формирование структур в сплавах изучают, анализируя по диаграмме процессы, происходящие при охлаждении или нагревании сплава. Рассмотрим области диаграммы, отвечающие равновесным состояниям сплавов системы.

В процессе эвтектического превращения (2) при t = 1147°С жидкий раствор затвердевает в виде ледебурита. Во всех сплавах системы с концен-

трацией углерода более 0,02% при температуре 727°С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение (3), в результате которого происходит распад аустенита, содержащего 0,8% углерода, что приводит к образованию перлита.

Цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных