Анализ диаграммы фазового равновесия сплавов системы «ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ»

Таким образом, при комнатной температуре сплав I с содержанием

углерода менее 0,02% имеет двухфазную феррито-цементитную структуру

(рис. 4).

Рис. 4. Микроструктура сплава I (0,01% C) – а; схема ее изображения – б

При содержании углерода в сплаве менее 0,025% количество фазовых и структурных составляющих совпадает и рассчитывается по правилу отрезков:

Сплав II содержит 0,5% С. Образование кристаллов аустенита происходит в интервале температур 1 – 2. Состав аустенита изменяется по линии солидус АЕ, состав жидкой фазы по линии ликвидус АС. В точке 2

кристаллизация аустенита заканчивается, и от точки 2 до точки 3 структурных изменений в нем не происходит, аустенит просто охлаждается. В точке 3

начинается выделение феррита из аустенита. Концентрация углерода в феррите изменяется по линии GP, а концентрация углерода в аустените – по линии GS.

При охлаждении сплава до точки 4 состав аустенита будет соответствовать точке S, т.е. эвтектоидному составу. При температуре 727°С произойдет эвтектоидное превращение с образованием перлита A(S) → Ф(Р)+ Ц(K).

Таким образом, при комнатной температуре сплав II с содержанием углерода 0,5% имеет двухфазную феррито-перлитную структуру (рис. 5).

1. Расчет количества фазовых составляющих:

11

Рис. 5. Микроструктура сплава II (0,5% C) – а; схема ее изображения – б

2. Расчет количества структурных составляющих:

Количество перлита в структуре будет увеличиваться по мере роста содержания углерода в сплаве вплоть до концентрации 0,8%.

Сплав III, содержащий 0,8% С, по составу соответствует точке S. Аустенит сплава с такой концентрацией углерода не испытывает превращений при охлаждении до температуры 727°С, при которой весь аустенит превращается в перлит.

12

Таким образом, при комнатной температуре сплав III с содержанием углерода 0,8% имеет двухфазную перлитную структуру (рис. 6, а, б), состоящую из чередующихся параллельных пластин феррита и цементита (рис. 6, в) в

соотношении %Ф : %Ц = 0,80 : 6,67 ≈ 1 : 8.

в

Цементит

мкм

мкм

Феррит

мкм

Рис. 6. Микроструктура сплава III (0,8% C), полученная методами:

а – оптической; в – атомно-силовой микроскопии; б – схема ее изображения

1. Расчет количества фазовых составляющих:

2. Расчет количества структурных составляющих:

Перлит, % 100%.

Сплав IV, содержащий 1,7% С. Концентрация углерода в сплаве IV

составляет более 0,8%, но менее 2,14%. До точки 3 превращения в этом сплаве такие же, как в сплавах II и III. При охлаждении в диапазоне температур между точками 3 – 4 из кристаллической решетки аустенита выделяется избыточный

13

углерод с образованием вторичного цементита ЦII. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии ES. На линии PSK при температуре

727°С происходит эвтектоидное превращение, при котором аустенит превращается в перлит.

Таким образом, при комнатной температуре сплав IV, содержащий

1,7% С, имеет двухфазную перлито-цементитную структуру (рис. 7).

Рис. 7. Микроструктура сплава IV (1,7% C) – а; схема ее изображения – б

1. Расчет количества фазовых составляющих:

2. Расчет количества структурных составляющих:

14

Наличие сетки цементита вторичного в заэвтектоидных сталях ухудшает

Ф

мкм

Рис. 8. Микроструктура сплава IV (1,7 % C) после сфероидизирующего отжига, полученная методами: а – оптической; в – атомно-силовой микроскопии;

б – схема ее изображения

конструкции в результате повышения хрупкости материала. Поэтому для улучшения механических свойств для сплавов с содержанием углерода более

0,75% применяют сфероидизирующий отжиг, в ходе которого получают структуру зернистого перлита (рис. 8, а, б), в котором цементит имеет округлую форму (рис. 8, в).

В сплавах со структурой зернистого перлита цементит вторичный визуально не идентифицируется.

15

3.2. Анализ фазового и структурного составов белых чугунов

При первичной кристаллизации сплавов с содержанием углерода более

2,14% происходит эвтектическое превращение, в процессе которого из жидкости, содержащей 4,3% углерода, образуется ледебурит – механическая смесь двух твердых фаз: аустенита и цементита. На рис. 9 представлены кривые охлаждения для сплавов с содержанием углерода, соответствующего доэвтектическому, эвтектическому и заэвтектическому составам.

1

1

Рис. 9. Кривые охлаждения белых чугунов

В сплаве V с содержанием углерода 3,5% кристаллизация начинается в точке 1 выделением аустенита из жидкого раствора и заканчивается в точке 2.

При охлаждении в интервале температур между точками 1 и 2 состав аустенита изменяется по линии солидус, а концентрация углерода в жидкой фазе – по линии ликвидус. В точке 2 при 1147°С состав жидкости соответствует точке С,

т.е. жидкость имеет концентрацию углерода, равную 4,3%. Количественное соотношение жидкой и твердой фаз в точке 2 определяется отношением отрезков Е2 и 2С. Длину отрезков можно измерять в миллиметрах или определять по разности концентраций. Если соотношения отрезков умножить на 100, то получим количество составляющих в процентах. При 1147°С

16

происходит эвтектическое превращение L(С) → А(Е) + Ц(F). При дальнейшем охлаждении в интервале 2 – 3 из аустенита, как структурно свободного, так и входящего в эвтектику (ледебурит), выделяется вторичный цементит. Состав аустенита изменяется по линии ES, т.е. от 2,14 до 0,8% С. В точке 3 происходит перлитное превращение аустенита, содержащего 0,8% С.

Таким образом, при комнатной температуре сплав V, содержащий

3,5% С, имеет двухфазную перлито-ледебуритную структуру (рис. 10).

Вторичный цементит и цементит ледебурита сливаются и практически неразличимы.

ЦII

П

Лпр

Рис. 10. Микроструктура сплава V (3,5% C): а – дендриты перлита (бывшего аустенита), вторичный цементит и ледебурит;

б– схема изображения микроструктуры

1.Расчет количества фазовых составляющих:

2. Расчет количества структурных составляющих.

При комнатной температуре сплав V с содержанием углерода 3,5% содержит три структурных составляющих (рис. 10, б):

Ледебуритпр Перлит ЦементитII 100%.

Бывший аустенит

Образование ледебурита происходит при 1147°С, поэтому количество ледебурита определяем при t = 1147°C:

17

При дальнейшем охлаждении до комнатной температуры из аустенита выделяются перлит и цементитII, количество которых рассчитываем при t = 727°C с учетом того, что количество аустенита равно 37,0%:

В сплаве VI, содержащем 4,3% С, при эвтектической температуре вся жидкость превращается в ледебурит. При понижении температуры содержание углерода в аустените, входящем в ледебурит, понижается по линии ES. При

727°С происходит перлитное превращение аустенита.

Таким образом, при комнатной температуре сплав VI, содержащий

4,3% С, имеет двухфазную ледебуритную структуру (рис. 11).

Лпр

Рис. 11. Микроструктура сплава VI (4,3% C) – а; схема ее изображения – б

1. Расчет количества фазовых составляющих:

2. Расчет количества структурных составляющих:

Ледебуритпр, % 100%.

18

В сплаве VII, содержащем 5,5% С, кристаллизация начинается с образования кристаллов цементита. Такой цементит называют первичным. Пер-

вичный цементит выделяется из жидкости при охлаждении в интервале температур 1 – 2. Состав жидкости при этом меняется по линии ликвидус и в точке 2 жидкость содержит 4,3% С. Количественное соотношение жидкой и твердой фаз в точке 2 определяется соотношением отрезков Е2 и С2. При 1147°С

происходит эвтектическое превращение. Аустенит образовавшегося ледебурита при охлаждении испытывает превращения, рассмотренные выше.

Таким образом, при комнатной температуре сплав VII, содержащий

5,5% С, имеет двухфазную цементито-ледебуритную структуру (рис. 12).

Рис. 12. Микроструктура сплава VII (5,5% C): а – иглы цементита и ледебурит;

1. Расчет количества фазовых составляющих:

2. Расчет количества структурных составляющих.

При комнатной температуре сплав VII с содержанием углерода 5,5%

содержит две структурных составляющих (рис. 12, б):

Ледебуритпр ЦементитI 100%.

Образование указанных структурных составляющих происходит при

1147°С, поэтому их количество определяем при t = 1147°C:

19

Таким образом, при комнатной температуре структура сплавов системы

«Fe – Fe3C» состоит из фаз феррита и цементита. Различие в размерах и расположении выделений цементита оказывает большое влияние на свойства сплавов:

–ЦI, выделяющийся при высоких температурах непосредственно из жидкой фазы, дает наиболее грубые выделения;

–ЦII, выделяясь из аустенита при достаточно высоких температурах и скорости диффузии, образуется в виде сетки по границам зерен;

–ЦIII выделяется из феррита при невысоких температурах обычно внутри зерен в виде дисперсных включений, которые увеличивают прочность феррита.

Пример выполнения практического расчетного задания

Задание. Для сплава с содержанием углерода 1,5%:

–опишите процесс формирования структуры;

–определите количество фазовых и структурных составляющих при комнатной и заданной (600°С) температурах.

20