Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Диаграмма «железо-углерод». Методические указания к домашним заданиям, контрольным работам, упражнениям по изучению фазовых превращений и по образован
.pdf
11
Рис. 2. Диаграмма «железо-цементит»
×300
а
×300
б
12
×300
в
×300
г
Рис. 3. Микроструктуры железоуглеродистых сплавов (стали):
а – техническое железо; б – эвтоктоидная сталь;
в – доэвтектоидная сталь; г – заэвтектоидная сталь
×300
а
13
×300
б
×300
в
Рис. 4. Микроструктуры железоуглеродистых сплавов (белых чугунов):
а – эвтектический белый чугун; б – доэвтектический белый чугун;
в – заэвтектический белый чугун
3.3. Примеры решения задач
Рассмотрим несколько примеров фазовых превращений при охлаждении,
совершающихся в железоуглеродистых сплавах в соответствии с диаграммой
метастабильного равновесия. Излагаемые ниже пояснения к диаграмме Fe –
Fe3С даны на основе двойных систем фазового равновесия (рис. 2).
14
Пример 1.
Определить фазовые превращения и образование структуры при
охлаждении доэвтектоидной стали, содержащей 0,12% С (рис. 3, сплав I), и
выполнить расчеты количественного соотношения структурных
составляющих при температуре t6.
Процессы фазовых превращений следует описывать по следующей схеме.
Кристаллизация сплава начинается при температуре точки 1 выделением
из жидкой фазы кристаллов δ- феррита (рис. 5а).
В процессе кристаллизации состав жидкой фазы будет меняться по линии
1 – В, твердой - по линии 1´-H.
При температуре точки 2 (чуть выше) сплав состоит из первичных
кристаллов δ - твердого раствора, состава точки Н, и жидкого раствора L,
состава точки В.
При температуре 1499° С (точка 2) чуть ниже идет перитектическое
превращение:
δН + LB ↔ γJ.
Так как число степеней свободы С = 0, то перитектическая реакция идет
при постоянной температуре.
Таким образом, в сплаве I не все кристаллы твердого раствора
израсходовались на перитектическое превращение, и ниже температуры точки
2 в равновесии находятся две фазы - δ и . С понижением температуры в
интервале t2- t3 происходит аллотропическое превращение δ → , решетка ОЦК
перестраивается в ГЦК. Состав δ-фазы меняется по линии Н - 3', состав
-фазы - по линии J - 3. В точке 3 превращение δ → завершается. При
дальнейшем охлаждении в интервале температур t3- t4 фазовые превращения
отсутствуют. Сплав состоит только из кристаллов аустенита, состав которого в
интервале температур t3- t4 не меняется и определяется составом сплава.
15
Рис. 5. Фазовые превращения в сплаве Ι:
а – часть диаграммы «железо-углерод»; б – кривая охлаждения сплава Ι
При достижении температуры точки 4, вследствие аллотропического
Время, τ
превращения, из - фазы образуется α - фаза, в результате происходит
перестройка кристаллической решетки: ГЦК → ОЦК.
Число степеней свободы С = 1, поэтому данное превращение идет в
интервале температур t4 -t5. При температуре 768 °С имеет место магнитное
превращение αHM→αM.
Состав аустенита () изменяется по линии 4-S, феррита - 4'-Р. В
точке 5 (чуть выше) сплав состоит из 2-х фаз: избыточные кристаллы феррита
(α) состава точки Р и кристаллы аустенита () состава точки S. При температуре
t = t5 аустенит состава точки S испытывает эвтектоидное превращение,
приводящее к образованию перлита:
s ↔αР + Fe3C
(K)
.
В обычных условиях при медленном охлаждении перлит как структурная
составляющая представляет собой смесь чередующихся пластинок феррита и
цементита. После окончания эвтектоидной реакции сплав I состоит из двух фаз
(феррита и цементита) и двух структурных составляющих (избыточных
кристаллов феррита Ф
. и перлита П).
изб
16
При дальнейшем охлаждении (до точки 6), вследствие уменьшения
%.2,12%100
025,08,0
025,012,0
%100
5
%;8,87%100
025,08,0
12,08,0
%100
5
SP
P
Q
SP
S
Q
П
Ф
растворимости углерода в феррите (линия PQ), из феррита выделяется Ц
Третичный цементит Ц
, выделяющийся из кристаллов α, может быть
III
III
самостоятельной структурной составляющей, однако его очень мало, и поэтому
в структуре его обычно не видно. Цементит, выделяющийся из перлитного
феррита, структурно неразличим, так как по мере выделения он осаждается
(присоединяется) на пластинах перлитного цементита, в результате чего
несколько изменяется количественное соотношение фаз В перлите: феррита
становится немного меньше, а цементита – больше.
Таким образом, при температуре точки 6 сплав будет состоять из двух
фаз - феррита, состава точки Q и цементита, состава точки L (6,67% С) и трех
структурных составляющих: Ф + П + Ц
. На рис.5б показан ход кривой
III
охлаждения сплава I.
Расчет структурных составляющих (t = t6).
.
При температуре точки 6 структура сплава I состоит из П, Ф и Цш
(рис. 5). Чтобы воспользоваться правилом отрезков, необходимо найти
температуру, при которой в заданном сплаве было бы только две структурные
составляющие. При температуре точки 5 структура сплава состоит из перлита и
феррита. По правилу отрезков при температуре 727 °С:
Весовая доля перлита в сплаве не изменяется при дальнейшем
охлаждении, весовая же доля избыточных кристаллов феррита при охлаждении
от температуры точки 5 до температуры точки 6 уменьшается на количество
выделившегося цементита третичного. Максимальное количество Ц
может
III
выделиться в сплаве при охлаждении от температуры t5 до температуры t6,
проходящем через точку Р и состоящем из 100% феррита
(т. Р, 0,025% С). Максимальное количество Ц
можно рассчитать по правилу
III
отрезков
17
%3,0%285,0%100
006,067,6
006,0025,0
%100
QL
Q'P
Qmax
III
Ц
.
%26,0
%100
%3,0%8,87
Q
III
Ц
006,067,6
006,03,1
Таким образом, в сплаве, содержащем 100% Ф, выделяется 0,30% Ц
сплаве I количество Ц
составит
III
, а в
III
.
Количество свободных кристаллов феррита уменьшится на 0,26% и будет
равно 87,54%. Таким образом, при температуре точки 6 количество
структурных составляющих будет: П = 12,2%; Ф = 87,54%; Цш = 0,26%.
Пример 2.
Сплав содержит 1,3% С. Требуется определить возможную
структуру после медленного охлаждения из жидкого состояния до 20
о
С и
рассчитать, сколько всего цементита имеется в сплаве весом 2 кг и как
этот цементит распределяется между структурными составляющими,
образовавшимися при различных фазовых превращениях.
Решение этой задачи следует начинать с нанесения заданного сплава на
диаграмму фазового равновесия. Затем надо привести описание процессов при
охлаждении сплава с построением кривой охлаждения. Описание процессов
при охлаждении следует производить аналогично описанию, приведённому в
примере 1.
В данном сплаве при комнатной температуре фазовыми составляющими
являются феррит и цементит, структурными составляющими будут перлит и
цементит вторичный. Найдем общее количество цементитной фазы (по массе) в
сплаве при температуре 20 °С (см. рис.4):
QЦ =
2кг = 0,39кг.
Часть этого цементита может представлять собой самостоятельную
составляющую ЦII, другая часть находится в перлите (ЦП). Найдем количество
ЦII, которое может выделиться в заданном сплаве:
18
Q
8,067,6
8,03,1
8,067,6
3,167,6
025,067,6
025,08,0
2
83,1237,0
ЦII
=
2 кг = 0,17кг.
Для расчета количества цементита в перлите нужно знать прежде всего
количество перлита в сплаве. По правилу отрезков
QП =
2 кг = 1,83кг.
Если в сплаве было 100% перлита (это возможно при содержании 0,8%
углерода), то весовая доля цементита в перлите при 727 °С определяется так:
QЦп =
2 кг = 0,24кг.
В нашем сплаве перлит весит 1,76 кг, поэтому из пропорции для сплава
1,3% С получаем
QЦп =
= 0,22кг.
Цементита третичного Цш выделяется мало, и им можно пренебречь.
Таким образом, 0,39 кг цементита при 20 °С могут распределяться между
структурными составляющими в следующих количествах: ЦII = 0,17 кг; Цп =
0,22 кг.
Пример 3.
По заданной структуре (перлит и вторичный цементит) определить
состав сплава и указать его техническое название.
Для расчета содержания углерода в сплаве необходимо определить состав
структурных составляющих (в данном примере - перлита и цементита
вторичного) и их количество Q.
Содержание углерода в перлите равно 0,8%, а в цементите вторичном 6,67%. Количество структурных составляющих определяется одним из
известных методов количественного металлографического анализа (линейный,
точечный и др.) или визуально.
19
Будем считать, что QП = 85%, Q
%79,1
100
1567,6
100
858,0
100
Q67,6
100
Q8,0
II
Ц
П
сплаве равно
= 15%. Тогда содержание углерода в
ЦII
%С =
.
Сплав железа с углеродом, содержащий 1,79%С, является заэвтектоидной
сталью.
4. Стабильная диаграмма «железо - углерод»
При описании фазового и структурного состояния серых чугунов
пользуются диаграммой стабильного равновесия Fe - С (графит). Структурным
признаком серых чугунов является обязательное присутствие в структуре
свободного углерода - графита. Серые чугуны образуются при более медленном
охлаждении, чем белые. При образовании графита кристаллизация идёт по
стабильной системе. Как видно из диаграммы «железо-углерод» (рис. 1),
кристаллизация доэвтектических серых чугунов начинается с образования
аустенита, а при достижении температуры 1153 °С оставшаяся жидкость
состава точки С´ кристаллизуется с образованием графита и аустенита состава
точки Е':
LC↔
+ Г.
’
E
В заэвтектических серых чугунах кристаллизация жидкой фазы
начинается с выделения графита, который называется первичным, затем
оставшаяся жидкая фаза при эвтектической температуре затвердевает, образуя
графит и аустенит.
При охлаждении сплавов ниже эвтектической температуры превращения
в них могут идти как по стабильной, так и по метастабильной системам. Если
при эвтектической кристаллизации часть жидкой фазы превращается в
аустенитно - графитную смесь Lc↔Г+E’, а другая - в ледебурит Lc↔E +Fe3C
(F)
,
ТО такие чугуны называются половинчатыми.
20
Характер превращения зависит от состава чугуна, скорости охлаждения и
других факторов. В микроструктуре серых чугунов необходимо различать
металлическую основу и графитные включения. Металлическая основа
определяет, какая часть углерода содержится в чугуне в связанном состоянии.
Различают серые чугуны на перлитной, ферритной и феррито - перлитной
основе. Основа серого чугуна зависит от температуры перехода со стабильной
диаграммы на метастабильную.
При анализе фазовых превращений и формировании структуры, идущих
по стабильной и метастабильной диаграммам, необходимо учитывать
следующие допущения:
Если в чугуне кроме феррита присутствуют цементит и графит, то это
означает, что в процессе кристаллизации фазовые превращения шли как по
стабильной системе с образованием графита так и по метастабильной - с
образованием цементита. В этом случае процессы фазовых превращений
обязательно начинаются по стабильной диаграмме.
Если при некоторой температуре началось образование цементита, то
далее он будет выделяться во всем температурном интервале, и переход
фазовых превращений с образованием графита на стабильную систему
невозможен.
Эвтектическая и эвтектоидная реакции могут идти частично по
стабильной и частично по метастабильной системам, но они всегда начинаются
по стабильной системе.
При формировании графит структурно обезличен, поэтому при
кристаллизации по стабильной системе фазовые и структурные составляющие
совпадают. Общее содержание углерода в чугуне С
свободного углерода (графит) С
и связанного С
своб
. При этом под связанным
связ
складывается из
общ
углеродом понимают углерод, находящийся в твердом растворе (в аустените
или феррите), и углерод, который находится в цементите.
Студент должен уметь с помощью стабильной диаграммы объяснить
структурообразование серых чугунов и делать необходимые расчеты по
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]