2. Характеристика метастабильной и стабильной диаграммы «Fe-C»

В сплавах системы Fe-C встречаются следующие фазы: Ж - жидкий раствор компонентов α, γ, δ – твёрдые растворы углерода С на основе железа Fe ( феррит Ф и аустенит А) Fe₃C – химическое соединение (цементит Ц) * ( метастабильная система) С- структурно свободный углерод ( графит Г) * ( стабильная система)

1. Описание фаз метастабильной (стабильной) диаграммы

   1. Жидкая фаза ( Ж)-неограниченный раствор Fe и C, находящийся выше линии ликвидус ABCD при концентрации С=0÷6,67% (С= 0÷100%). Жидкость микроскопически однородна (гомогенна)

   2. ( α-Ф, δ-Ф и А) - твёрдые растворы внедрения Fe и C (т.е. атомы углерода размещаются в межузельных пустотах кристаллической решётки железа) на основе 2-х кристаллографических решёток (ОЦК и ГЦК)

      1. Феррит (Ф) - тв. раствор внедрения С в α-Fe ( δ-Fe). Кристаллическая решётка ОЦК. Твёрдость 80÷100 HB, предел прочности σв~300Мпа, относительное удлинение δ достигает 50%. До t=768℃ феррит ферромагнитен, выше парамагнитен.

         1. Низкотемпературный (α-Ф)- Максимальная растворимость C в α-Fe - 0,025% (т. P), минимальная – 0,006% (т.Q).

         2. Высокотемпературный (δ-Ф) – предел растворимости углерода – 0,1% (т. H)

      2. Аустенит (А) - тв. раствор внедрения С в γ-Fe. Кристаллическая решётка ГЦК. Максимальная растворимость C в γ-Fe - 2,14% в т Е ( 2,11% в т Е’). Твёрдость 170÷200 HB, предел прочности σ_в составляет 500÷800Мпа. Аустенит пластичен , не ферромагнитен.

      3. Цементит (Ц) – нестойкое химическое соединение Fe₃C с содержанием 6,67% С. Имеет сложную ромбическую решётку. Становиться ферромагнитным при t ниже 217℃. Хрупок, имеет высокую твёрдость (~800HB), практически нулевую пластичность. Образуется по метастабильной системе.

      4. Графит (Г) – структурно свободный углерод, образующийся при медленном охлаждении по стабильной системе. Является самостоятельной фазой. Имеет гексогональную решётку, высокую t_{плавления}~3500℃. У графита низкие механические свойства из-за того, что связь между базисными плоскостями слабая ( чешуйки графита легко отслаиваются)

2. Изотермические фазовые превращения (С=0)

   1. Перитектическое превращение по линии HNB при t=1499℃

2. Эвтектическое превращение по линии:

   1. по стабильной части диаграммы происходит при t’=1153℃ по линии E’C’F’

2. по метастабильной при t=1147℃ по линии ECF

3. Эвтектоидное превращение

1. По стабильной при t’=738℃ по линии P’S’K’

2. По метастабильной при t=727℃ по линии PSK

3. Критические точки

Обозначение Точки	Температура, ℃	Концентрация углерода, %(масс)		Обозначение Точки	Температура, ℃	Концентрация углерода, %(масс)
Метастабильное состояние				Стабильное состояние
A	1539	0		A	1539	0
B	1499	0,51		B	1499	0,51
H	1499	0,10		H	1499	0,10
J	1499	0,16		J	1499	0,16
N	1392	0		N	1392	0
O	768	0,50		E’	1153	2,11
E	1147	2,14		C’	1153	4,26
C	1147	4,30		F’	1153	100
F	1147	6,67		D’	-	100
D	-	6,67		G	911	0
G	911	0		P’	738	0,023
M	770	0		S’	738	0,70
P	727	0,025		K’	738	100
S	727	0,80		Q’	600	0,006
K	727	6,67		L’	600	100
Q	600	0,006
L	600	6,67

«Задачи по определению состава, анализу фазовых и структурных превращений сталей и белых чугунов.» задача №4

Сплав содержит 0,45% С. Какое количество феррита и цементита образуется по эвтектоидной реакции в этом сплаве, если его вес равен 1000г?

Решение:

Всё количество феррита и цементита образующееся по эвтектоидной реакции в этом сплаве, составляет количество перлита, т.е.54,84% всего сплава.

г – весовое количество перлита в сплаве

–количество феррита в перлите

- количество цементита в перлите

3. Описание фазовых превращений в сплаве №1 при его охлаждении

   1. Интервал 1-2 При температуре в т. 1 начинается процесс кристаллизации жидкой фазы с выделением кристаллов δ-Ф состава т.1’. Эти кристаллы будут выделяться до охлаждения жидкой фазы до т.2. Состав жидкой фазы будет изменяться в соответствии с линией ликвидус (1-B) ,состав δ фазы будет изменяться в соответствии с линией солидус (1’-H). Число степеней свободы С=2-2+1 , поэтому кристаллизация будет проходить не при постоянной температуре, а в интервале 1-2 Процесс кристаллизации сопровождается выделением тепла, что замедляет охлаждение и на кривой охлаждения будет перегиб.

   2. В т. 2 При температуре т.2 сплав состоит из δ-Fe состава т.H и жидкости состава т.B

   3. В т2’ при T=1499℃

Перитектическое превращение будет идти при постоянной температуре т.к. С=0

4. Интервал 2-3

Аллотропическое превращение δ→γ, ОЦК→ГЦК. Состав жидкой фазы изменяется в соответствии с линией B-3’, аустенита соответствии с линией J-3

5. В т.3

Превращение δ→γ завершиться

6. Интервал 3-4

Превращения отсутствуют, сплав состоит только из кристаллов аустенита , состав которого не меняется и определяется составом сплава .

С=1-1+1=1

7. В т.4

Начинается аллотропическое превращение. Из аустенита образуется феррит γ→α, в результате чего происходит перестройка кристаллической решётки :ГЦК→ОЦК.

8. Интервал 4-5

Продолжается аллотропическое превращение в интервале температур т.к. С=2-2+1=1

При температуре 768℃ имеет место магнитное превращение α_нм→α_м. Состав аустенита меняется по линии 4-S, состав феррита по линии 4’-P. Чуть выше т.5 сплав состоит из 2-х фаз: избыточные кристаллы феррита состава т. P и кристаллов аустенита состава т. S

9. В т.5

Аустенит состава т. S испытывает эвтектоидное превращение, приводящее к образованию перлита.

10. Т.5’

Окончание эвтектоидной реакции.

Сплав состоит из:

2-х фаз - феррита и цементита

2-х структурных составляющих – избыточные кристаллы феррита и перлит

11. Интервал 5-6

В следствии уменьшения растворимости углерода в феррите, по линии PQ, из феррита будет выделяться цементит третичный.

Цементит третичный может быть самостоятельной структурной составляющей , но его количество очень мало, поэтому в структуре его обычно не видно.

В перлите цементит третичный также неразличим из-за того , что он осаждается на пластинах перлитного цементита, в результате чего немного изменяется количественное соотношение фаз в перлите (количество феррита немного уменьшается, цементита увеличивается)

12. Т.6

Таким образом при комнатной температуре состав сплава будет состоять из:

2-х фаз: Ф_Q + Ц_L

3-х структурных составляющих: Ф+П+Ц_III

3. Схема структурообразования сплава с содержанием 0,45%С

1. Ж

δFe

1-2 Ж+δFe

А

2. А

(+Ж)

2-3 Ж+А

А

3-4 А

Ф

4-5 А+Ф

П(Ф+Ц)

5-6 П(Ф+Ц)+Ф

Ц_III Ц_III

6 П(Ф+Ц)+Ф+Ц_III

3. Расчёт количества фазовых и структурных составляющих сплава №1 с содержанием 0,45

4. %С при комнатной температуре.

3-х структурных составляющих: Ф+П+Ц_III .

Температура при которой существуют только 2 структурных составляющих, феррит и перлит, в т.5. По правилу отрезков при t=727℃

Весовая доля перлита не изменяется.

Доля избыточных кристаллов феррита уменьшается при охлаждении на количество, выделяющихся из него, кристаллов цементита третичного, максимальное количество которых составит

В сплаве , содержащем 100% феррита выделится 0,29% цементита третичного. Следовательно в нашем сплаве его количество составит

Количество свободных кристаллов феррита будет равным