Диаграмма состояния двойного сплава Fe-c (Fe-FeC)

Диаграмма определяет в условиях равновесия фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов, позволяет качественно характеризовать многие физико-химические, механические и технологические свойства сплавов. На основе анализа диаграммы состояния решаются инженерные задачи, а именно можно определить, какие сплавы и в каком направлении изменяют свою структуру (нагрев и охлаждение), изменение структуры и свойств при переходе к неравновесному состоянию, зависящему от реальных условий производства изделий и заготовок.

Превращения в зависимости от состава сплава могут протекать различно, а следовательно, сплавы имеют разные по характеру температурные кривые охлаждения (нагревания).

В системе «железо – углерод» выделяются сплавы с превращениями:

• перитектическими и доэвтектоидными (0,16<C<0,8%)

• эвтектоидным (С=0,8%)

• заэвтектоидными (0,8<C<2,0%)

• доэвтектическими (2,0<C<4,3%)

• эвтектическим (С=4,3%)

• заэвтектическими (4,3<C<6,67%)

Первичная кристаллизация, т.е. кристаллизация из жидкого состояния, протекает для чистого железа при температуре t=1539^oC, для эвтектического сплава белого чугуна t=1147^oC, для химического соединения Fe₃C t=1260^oC с выделением тепла, вследствие чего на кривых охлаждения при температуре затвердевания обнаруживаются остановки (обозначаются горизонтальными участками кривой охлаждения).

Первичная кристаллизация остальных сплавов происходит в интервале температур:

1539 до 1390- доэвтектоидные стали;

1499 до 1147- заэвтектоидные сталеи;

1480 до 1147- доэвтектические белые чугуны;

1260 до 1147- заэвтектические белые чугуны.

Начало процесса кристаллизации этих сплавов отмечается перегибом на кривой охлаждения. Окончание процесса кристаллизации может в зависимости от числа фаз характеризоваться на кривой охлаждения перегибом (стали) или горизонтальным участком (белые чугуны). Перегиб характеризует быстрое превращение во времени, горизонтальный участок характеризует замедленное превращение во времени, связанное с выделением тепла (охлаждение) или с поглощением тепла (нагрев).

В сплавах-механических смесях (гетерогенные системы), образующих эвтектику, в момент окончания затвердевания на линии солидуса приходятся в равновесии три фазы: кристаллы аустенита (С2%), цементита первичного (C=6,67%) и жидкая фаза. В соответствии с правилом фаз это равновесие нонвариантное С=2+1-3=0 и фиксируется горизонтальный участок при температуре, соответствующей линии солидус (t=1147^oC).

Положение основных точек метастабильной диаграммы Fe-Fe3c

Точка	toC	Концентрация углерода (по массе), %
A B C N H J E G S P Q	1539 1499 1147 1392 1499 1499 1147 911 727 727 20	0,00 0,51 4,30 0,00 0,10 0,16 2,14 0,00 0,80 0,02 0,006

Правило фаз

С=К+1-Ф,

где К – число компонентов в системе;

Ф – число фаз;

С – число степеней свободы.

Чтобы указать протяженность горизонтального участка на кривой охлаждения, следует выбрать масштаб, соответствующий содержанию 100% эвтектики. Удобно принять горизонтальный участок на кривой эвтектического сплава длиной 10 мм, по правилу отрезков определить относительное количество эвтектики, образующейся при кристаллизации сплава (доэвтектический и заэвтектический чугуны) и показать кристаллизацию эвтектики в виде горизонтального участка, соответствующего по длине ее относительному количеству (10 мм). При наличии в сплаве 50% эвтектики на кривой охлаждения сплава будет горизонтальная линия длиной 5 мм.

Сплавы с перитектическим превращением содержат углерода 0,1-0,5%.

На кривой охлаждения фиксируется:

• перегиб, указывающий начало кристаллизации с выделением из жидкого сплава кристаллов, богатых тугоплавким компонентом (высокотемпературный феррит – область АНJВ);

• горизонтальный участок, отвечающий перитектической реакции (НJВ), на котором в условиях равновесия находятся три фазы: кристаллы феррита высокотемпературного, богатые тугоплавким компонентом (АНJВ), жидкость и кристаллическая фаза с легкоплавким компонентом – аустенитом (НJN);

• перитектическое превращение (t=1499^oC) сплавов с содержанием углерода 0,16% заканчивается затвердеванием с образованием структуры феррит и аустенит; для сплавов с содержанием углерода 0,16 – 0,5% имеет место превращение феррита высокотемпературного (Ф^в) в аустенит:

.

Вторичная кристаллизация - превращение в затвердевшем сплаве (Ж=0%) обуславливается полиморфными превращениями, полным (или частичным) распадом твердого раствора. В чистом железе превращения в твердом состоянии (полиморфное) протекает при постоянной температуре, поэтому на кривых охлаждения (нагревания) при температуре превращений наблюдается горизонтальный участок:

А Ф.

В доэвтектоидных сталях без перитектических превращений (С=0,5-0,8%) первичная кристаллизация начинается при t=1499^oC с выделения из аустенита жидкой фазы, сплав Ж+А состоит из двух фаз, и процесс кристаллизации заканчивается на линии солидус. Сплав имеет однофазную структуру аустенита, содержание углерода в котором соответствует содержанию углерода жидкого сплава.

В доэвтектоидных сплавах (С=0-0,8%) вторичная кристаллизация протекает в следующей последовательности: полиморфное превращение железа в интервале температур910-727 ^oC и насыщение аустенита углеродом. Полиморфизм приводит не только к образованию феррита (твердый раствор с содержанием углерода до 0,02%), но и к повышению в аустените содержания углерода до 0,8%.

В заэвтектоидных сплавах (0,8<C<2,0%) в интервале температур (линии SE-SK) из аустенита выделяется цементит вторичный. Содержание углерода в аустените при температуре 727^оС составляет 0,8%, на линии перлитных превращений А_0,8П_0,8, то есть имеет место полиморфное превращение А_0,02Ф_0,02 с выделением кристаллов цементита вторичного. Процесс заканчивается образованием структуры П+Ц_II. Содержание углерода в перлите составляет 0,8%, в цементите – 6,67%. Соотношение фаз в сплаве при температуре окружающей среды можно определить по правилу отрезков.

В сплаве с содержанием углерода 0,4% в соответствии с диаграммой имеются 5 точек, характеризующих фазовые превращения при понижении температуры (см. рис.1).

В точке 1 t=1500^оС начинается кристаллизация с выделением из нее феррита. Правило фаз показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур и указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе. Число степеней свободы – это число независимых переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии. В интервале температур, С=2+1-2=1

Охлаждение до (точка 2) приводит к изменению химического состава жидкой фазы и феррита. В точке 2 сплав испытывает перитектическое превращение, С=2+1-3=0.

или

.

Ниже линии JB (точка 2) сплав будет двухфазным: А+Ж, С=2+1-2=1. Кристаллизация закончится по достижении температур, соответствующих линии солидус JЕ. После затвердевания сплав приобретает однофазную структуру (0,4 – содержание углерода в аустените, %). Точка 3 на диаграмме – температура конца кристаллизации составляет.

Охлаждение сплава до точки 4 t₄=820^oC приводит к измельчению зерен аустенита без изменения химического состава. С дальнейшим понижением температуры по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут, превращаясь в зерна. Количество А (аустенита) уменьшается, а содержание в нем углерода увеличивается, так как Ф (феррит) почти не содержит углерода, С=2+1-2=1.

На линии перлитных превращений (точка 5) содержание углерода в аустените достигает 0,8%. Аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию, распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита вторичного, образующих механическую смесь под названием перлит.

.

Эвтектоидное превращение протекает при постоянной температуре (площадка на кривой охлаждения). При наличии 3 фаз:- система нонвариантная С=2+1-3=0. Ниже точки 5 сплав имеет структуру: феррит + перлит, и эта структура сохраняется и до температуры окружающей среды (комнатной температуры), С=2+1-2=1. Сплав такого фазового состава называется доэвтектоидной сталью и содержит углерода 0,4%.