kr1

Помимо химического соединения цементита (Ц) железо образует с углеродом твердые растворы и смеси, которые являются фазовыми и структурными составляющими.

Твердые растворы. Феррит (Ф) - твердый раствор углерода в α-железе,

обозначается Feα (С). Растворимость углерода в феррите весьма низкая - около

0,006 % при 20 °С (точка Q диаграммы), она возрастает при повышении температуры и достигает максимального значения 0,02 % при 727 °С (точка Ρ диаграммы). Кристаллическая решетка феррита - ОЦК. Феррит - твердый раствор внедрения: атомы углерода располагаются в междоузлиях решетки α-

железа. Феррит магнитен и весьма пластичен. Твердость феррита 80...100 НВ.

Аустенит (А) - твердый раствор углерода в γ-железе, обозначается Feγ(C).

Аустенит существует только при высоких температурах - 727 °С и выше.

Растворимость углерода в аустените высокая - 0,8 % при минимальной температуре его существования 727 °С (точка S диаграммы). Она возрастает при повышении температуры (так же, как в феррите) и достигает максимального значения 2,14 % при температуре 1147 °С (точка S диаграммы). Кристаллическая решетка аустенита - ГЦК. Аустенит - твердый раствор внедрения. Аустенит немагнитен, его удельный объем меньше, чем у феррита, вследствие более высокой атомной плотности. Твердость аустенита около 200 НВ.

Цементит, феррит и аустенит являются однофазными структурными составляющими.

Смеси. При температуре 1147 °С в сплавах с содержанием углерода 2,14%

и более из жидкого состояния образуется эвтектика. Эвтектическое превращение происходит при постоянной температуре. При этом одновременно существуют три фазы: жидкая и две твердые, то есть число степеней свободы С = 0.

Эвтектика в системе Fe - Fe3C называется ледебуритом (Л), который представляет собой смесь аустенита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации жидкости постоянного состава (4,3 % С). Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой:

Ж4,3 → Л [А2,14 + Ц6,67].

11

Цифры означают содержание углерода в соответствующих фазах в момент превращения: его содержание в аустените, равное 2,14 %, соответствует точке Ε диаграммы; содержание углерода в цементите 6,67 % - точке F. Конода при температуре 1147 °С совпадает с линией диаграммы ECF. Ледебурит имеет высокую твердость (550 HV) и очень хрупок.

При температуре 727 °С в сплавах с содержанием углерода 0,02 % и более аустенит превращается в смесь феррита и цементита, причем эти фазы выделяются одновременно. Таким образом, в превращении одновременно участвуют три фазы, то есть оно происходит при постоянной температуре. Такое превращение из твердого раствора получило название эвтектоидного в отличие от эвтектического, где исходная фаза - жидкость. Полученная смесь в общем случае называется эвтектоид. В системе Fe - Fe3C эвтектоид называется перлитом

(П). Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой:

А0,8 → П [Ф0,02 + Ц6,67].

Содержание углерода в феррите соответствует точке Р, в цементите - точке К диаграммы.

Рассмотрим те превращения в системе Fe - Fe3C, которые определяют структуры сплавов после окончательного охлаждения, то есть при комнатной температуре.

Превращения, происходящие на горизонтальных линиях ECF и PSK,

рассмотрены ранее - это эвтектическое и эвтектоидное превращения. Таким образом, в структуре сплавов, содержащих более 2,14 % С (лежащих правее точки Е), будет присутствовать ледебурит; сплавов, содержащих более 0,02 % С (лежащих правее точки Р), - перлит.

Важное значение имеют наклонные линии диаграммы: DC, ES, PQ. Все они показывают предельную растворимость углерода соответственно в жидкости,

аустените и феррите.

Это означает, что во время охлаждения сплавов с содержанием углерода более 4,3 % при достижении температуры, соответствующей линии DC, будет выделяться цементит вследствие уменьшения растворимости углерода в жидкой

12

фазе. Этот цементит называется первичным (ЦI). Кристаллы первичного цементита крупные, они выделяются из жидкости, которая не препятствует их росту.

При охлаждении сплавов, лежащих правее линии ES, вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры из него будет выделяться цементит, называемый вторичным (ЦII). По аналогии цементит, выделяющийся из феррита (линия PQ), называется третичным (ЦIII).

2. Заданный сплав с содержанием 5,0 % углерода является заэвтектическим чугуном. Для построения кривой его охлаждения проводим на диаграмме железо-цементит вертикальную линию, соответствующую заданному содержанию 5,0 % С (рисунок 8). Отмечаем точки пересечения вертикальной линии с линиями диаграммы и из них проводим горизонтальные пунктирные линии. Строим справа вертикальную ось температур и горизонтальную ось времени, строим нисходящую кривую охлаждения.

Рисунок 8 - Построение кривой охлаждения:

точка 1: c = k – f + 1 = 2 – 1 + 1 = 2;

точка 2: c = k – f + 1 = 2 – 2 + 1 = 1;

точка 3: c = k – f + 1 = 2 – 2 + 1 = 1;

точка 3’: c = k – f + 1 = 2 – 3 + 1 = 0;

точка 4: c = k – f + 1 = 2 – 2 + 1 = 1;

точка 5: c = k – f + 1 = 2 – 2 + 1 = 1.

13

В процессе медленного охлаждения сплав изначально состоит из жидкости.

При температуре 1230 °С из жидкости начинает выделяться цементит, и в интервале 1200…1147 °С сплав состоит из жидкости и цементита. При 1147 °С

одновременно заканчивается кристаллизация и происходит выделение эвтектики

– ледебурита. Поэтому ниже 1147 °С сплав находится в твердом состоянии и состоит из цементита и ледебурита.

3. Для определения количественного соотношения фаз при 1000 ºС

проводим вертикальную линию, соответствующую 5,0 % углерода, и

горизонтальную линию (коноду), соответствующую температуре 1000 °С (рисунок 9). На их пересечении отмечаем искомую точку Х. Сплав в этой точке состоит из двух фаз – цементита и ледебурита. Ледебурит при данной температуре представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита.

Поэтому для данной задачи считаем, что сплав состоит из аустенита и цементита.

Изменение содержания аустенита отражается кривой ES, цементита – кривой FK.

Рисунок 9 - Определение количественного содержания фаз при 1000 °С

14

Далее отмечаем точки пересечения проведенной коноды с линиями ES и FK,

из них проводим пунктирные вертикали до пересечения с осью концентраций углерода. Левая вертикаль пересекает ось концентраций в точке 1,7 % и

характеризует аустенит, правая – в точке 6,67 % и характеризует цементит.

Аустенит состоит из 1,7 % углерода и 100 – 1,7 = 98,3 % железа, цементит – из 6,67 % углерода и 100 – 6,67 = 93,33 % железа.

Определяем содержание аустенита в сплаве в соответствии с правилом отрезков:

Содержание цементита:

4. Для определения количественного соотношения фаз при 650 ºС проводим вертикальную линию, соответствующую 5,0 % углерода, и горизонтальную линию (коноду), соответствующую температуре 650 °С (рисунок 10). На их пересечении отмечаем искомую точку. Сплав в этой точке состоит из двух фаз – цементита и ледебурита. Ледебурит при заданной температуре – это эвтектическая смесь феррита и цементита. Поэтому для целей данной задачи считаем, что сплав состоит из феррита и цементита. Изменение содержания феррита отражается кривой PQ, цементита – кривой KL.

Далее отмечаем точки пересечения проведенной горизонтальной линии с линиями PQ и KL, из них проводим пунктирные вертикали до пересечения с осью концентраций углерода. Левая вертикаль пересекает ось концентраций в точке 0,01 % и характеризует феррит, правая – 6,67 % и характеризует цементит.

Феррит состоит из 0,01 % углерода и 100 – 0,01 = 99,99 % железа, цементит

– из 6,67 % углерода и 100 – 6,67 = 93,33 % железа.

15

Рисунок 10 - Определение количественного соотношения фаз при 650 °С

Определяем содержание феррита в сплаве в соответствии с правилом отрезков:

Содержание цементита:

16

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986.

2.Лахтин Ю.М. Основы металловедения. - М.: Металлургия, 1988.

3.Сажин В.Б. Основы материаловедения. - М.: ТЕИС, 2005.

17