Визначення кількості твердої і рідкої фази в двофазній області для сплаву і-і при температурі t1

На ординаті сплаву при температурі t₁ відкладаємо точку с. Через цю точку проводимо горизонтальну лінію – коноду до перетину з лініми діаграми відповідно в точках е і d, які мають назву точки ноди. Кінці коноди впираються в однофазні області рідкої фази і α-твердого розчину. Отже, ці фази будуть в сплаві І-І при температурі t₁ (точка с). при цьому склад рідкої фази визначається проекцією точки d на вісь абсцис (d´), α-твердого розчину – проекцією отчки е (е´). Відносна кількість кожної з фаз визначається співвідношенням відповідних відрізків коноди. Якщо масу рідини позначити буквою Р, а масу всього сплаву – буквою В, то можна записати . Якщо масу всього сплаву прийняти за 100%, то кількість рідкої фази визначиться співвідношенням . По аналогії для твердої фази можна записати: .

5 Контрольні запитання

5.1 Що таке крива охолодження, нагріву?

5.2 Як будують криві охолодження, нагріву?

5.3 Що таке сплав, як його одержують?

5.4 Дати визначення поняттям компонент, фаза, система?

5.5 Які фази утворюють компоненти при взаємодії в твердому стані?

5.6 Які ви знаєте тверді розчини і що являють вони собою?

5.7 Що таке хімічна сполука?

5.8 Що таке механічна суміш? Коли вона утворюється?

5.9 Що являє собою діаграма стану сплавів?

5.10 Як будують діаграму стану двокомпонентних сплавів?

5.11 Що таке лінія "ліквідус"?

5.12 Що таке лінія "солідус"?

5.13 В чому полягає закон Гіббса?

Робота №6

Діаграма стану залізо – вуглець

1 Мета роботи

1.1 Вивчити діаграму стану залізовуглецевих сплавів, як узагальнений результат експерементальних даних з досліджень сплавів заліза з вуглецем.

1.2 Провести фазовий аналіз будови діаграми стану залізо-вуглець.

1.3 Провести структурний аналіз будови діаграми стану Fe-C.

1.4 Засвоїти термінологію фазової і структурної будови діаграми стану залізовуглецевих сплавів.

2 Прилади та технічні засоби навчання

Моделі кристалічних ґраток α і γ- заліза, стенд діаграми стану залізо-вуглець, крива охолодження чистого заліза.

3 Методичні вказівки до самостійної роботи

Опрацювати за конспектом лекцій та підручниками і рекомендованими посібника­ми тему "Будова діаграми стану залізо-вуглець". Звернути увагу на те, що діаграма стану залізо-вуглець побудована для сплавів з концентрацією вуглецю лише до 6.67%С, яка відповідає 100% хімічній сполуці Fe₃C (рисунок 6.1). Оскільки сплави з більшим вмістом вуглецю дуже крихкі і на практиці не використовуються.. Таку концентрацію вуглецю-6.67% має карбід заліза Fe₃C. В системі залізо-вуглецевих сплавів Fе₃С, як фазу, називають цементитом, який в системі залізовуг­лецевих сплавів поводить себе як самостійний компонент.

Слід звернути увагу на те, що вуглець при охолодженні залізовуглецевих сплавів може не тільки хімічно взаємодіяти з залізом, утворюючи Fe₃C, а й виділятися у вигляді графіту. Тому розрізняють дві діаграми стану: залізо-цементит (Fe-Fe₃C) і залізо-графіт (Fe-C). Перша діаграма на рисунку 6.1 показана суцільними лініями, друга – штриховими. Всі лінії системи Fe-C розміщуються на діаграмі вище ліній системи Fe-Fe₃C (евтектичне і евтектоїдне перетворення відбувається за вищих температур: 1153 і 738^оС відповідно). Точки C, E, S зміщені вліво (С – 4,26%, Е – 2,11%, S – 0,7%). Діаграму стану Fe-Fe₃C називають нестабільною (метастабільною), оскільки це­ментит за певних умов розпадається з утворенням вільного вуг­лецю (графіту), а діаграму стану Fe-C називають стабіль­ною.

Оскільки основним компонентом в залізо-вуглецевих сплавах є залізо, то слід звернути увагу на властивості заліза, особливо на його поліморфізм – властивість зміню­вати тип кристалічної ґратки в твердому стані. Залізо кристалізується в кількох моди­фікаціях (α, γ, δ), (рисунок 6.1).

Обов'язково запам'ятати розчинність вуглецю в α- і γ‑залізі, так як теорія термічної обробки залізо-вуглецевих сплавів ґрунтується на фазових перетвореннях α→γ і змінній розчинності вуглецю в α, і γ– залізі при зміні температури. α -залізо при кімнатній температурі може розчинити 0.006%С (точка Q на діаграмі) і найбільше 0.02%С (точка P на діаграмі) при температурі 727°С.

Мінімальна розчинність вуглецю в γ-залізі складає 0.83%С при температурі 727°С (точка S на діаграмі) і максимальна – 2.14%С (точка Е на діаграмі) при температурі 1147°С.

Вникнути в механізм фазового перетворення чистого заліза та залізо-вуглецевих сплавів, відзначивши при цьому, що фазові перетворення чистого заліза відбуваються при постійній температурі, а в залізовуглецевих сплавах – в інтер­валі температур.

Слід також звернути увагу на сплав з концентрацією вуглецю 4.3%. Це сплав, який криста­лізується з рідкого стану при постійній температурі, як чистий метал. Температура кристалізації такого сплаву відповідає 1147°С. При постійній температурі 1147°С із розплаву одночасно виділяються крис­тали аустеніту і це­ментиту, утворюючи механічну суміш – (евтектику) ледебурит. Евтектика (ледебурит) є ос­новною структурною ознакою білих чавунів.

Слід запам'ятати назву фаз які, утворює залізо при взаємодії з вуглецем в твердому стані: ферит, аустеніт, цементит, а також механічні суміші – евтектоїд (перліт) і евтекти­ку (ледебурит).

Ферит (Ф) - твердий розчин впровадження вуглецю та інших домішок в α - залізі. Розрізняють ни­зькотемпературний α - ферит, з розчинністю вуглецю до 0.02% при температурі 727^оС і високотемпературний δ -ферит, з граничною розчинністю вуглецю 0.1% при температурі 1499 ^оС.

Ферит (при 0.006%С) має приблизно наступні механічні характеристики: σ_0,2 = 250 МПа, δ 50%, ψ = 80%, НВ 80-90.

Аустеніт (А) - твердий розчин впровадження вуглецю та інших домішок в γ - залізі. Гранична розчинність вуглецю в γ- залізі -2.14% при температурі 1147 ^оС.

Цементит (Ц) - це хімічна сполука заліза з вуглецем - карбід заліза Fе₃С. В цемен­титі міститься 6.67%С. До характерних особливостей цементиту відноситься його ви­сока твердість НВ > 700, і дуже мала пластичність.

Перліт (П) - це механічна суміш (евтектоїд) фериту і цементиту, що утворюється при повному розпаді аустеніту при 727 ^ОС.

Ледебурит (Л) — це механічна суміш (евтектика), що на момент утворення складаєть­ся з суміші аустеніту і цементиту. Утворюється при температурі 1147^оС і вмісту вуг­лецю в рідині 4.3%. При температурі нижчій 727^оС ледебурит – це механічна суміш перліту і цементиту (П+Ц_ІІ).

Кожна точка на діаграмі має відповідну концентрацію і температуру.

А - температура плавлення чистого заліза (1539°С).

Н, J, В - лінія перетектичного перетворення при температурі 1499°С.

Н - концентрація вуглецю 0.1%.

В - концентрація вуглецю 0.16%.

J - концентрація вуглецю 0.51%.

С - 4.3%С у рідкій фазі в стані рівноваги з аустенітом і цементитом при евтектичній температурі 1147°С.

Е - 2.14%С в аустеніті, що знаходиться в рівновазі з цементитом при евтектичній тем­пературі 1147°С.

N - критична точка чистого заліза - 1392°С.

G - критична точка чистого заліза - 911 °С.

Р - 0.02%С гранична кількість вуглецю, розчиненого у фериті, що знаходиться в рівновазі з аустенітом і з цементитом при евтектоїдній температурі 727°С.

S - 0.83%С в аустеніті, що знаходиться в рівновазі з феритом і цементитом при евтектоїдній температурі 727°С.