Анализ диаграммы фазового равновесия сплавов системы «железо — цементит»

Термины и определения

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в -железе (предельная растворимость углерода в -железе — 2,14%).

Ледебурит — структурная составляющая (эвтектика) желе­зоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представ­ляющая собой механическую смесь кристаллов аустенита и це­ментита, образующихся в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67% углерода.

Перлит — структурная составляющая (эвтектоид) железоуг­леродистых сплавов, представляющая собой механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита, образующихся при распаде аустенита во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при t = 727⁰C.

Сталь — железоуглеродистый сплав, содержащий 0,02—2,14% углерода. По содержанию углерода и наличию структурных со­ставляющих различают: доэвтектоидные (углерода 0,02—0,83%), эвтектоидные (углерода 0,83%), заэвтектоидные (углерода 0,83— 2,14%) стали.

Феррит — твердый раствор внедрения углерода в -железе. Различают низкотемпературный -феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный 5-феррит с предель­ной растворимостью углерода 0,1%.

Цементит C — химическое соединение железа с углеро­дом (карбид железа) с концентрацией углерода 6,67%.

Чугун — железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода. По содержанию углерода и наличию структурных составляющих различают чугуны: доэвтектические (углерода 2,14—4,3%), эвтектические (углерода 4,3%) и завэтектические чугуны (углерода 4,3—6,67%).

Чугуны белые — чугуны, кристаллизующиеся подобно углеро­дистым сталям по метасгабильной диаграмме состояния Fe — Fe₃C (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита; имеет белый блестящий излом).

Введение

Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — составляют до 90% металл офонда в экономике России, являясь основными конструкционными металлами. Фазовый состав и структура промышленных сплавов, полученных при медленном охлажде­нии до комнатной температуры, хорошо согласуются с диаграм­мой состояния «железо — цементит*, что предопределило ее широкое использование для выбора оптимальных режимов про­изводства и термообработки железоуглеродистых сплавов на протяжении почти полугора веков (Д.К. Чернов, 1868).

Цель практической работы — изучение диаграммы состояния «железо — цементит*, анализ превращений, происходящих в сплавах этой системы при образовании фаз и структур, и опре­деление состава и весового количества фаз при заданных темпе­ратурах.

1. Основы теории

1.1. Общие сведения

Основными компонентами сталей и чугунов являются железо и углерод. Железо — металл серого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Температура плавления железа 1539^аС. Же­лезо имеет две полиморфные модификации: -железо, существую­щее при температуре ниже 9Ю*С; -железо, существующее в ин­тервале температур 910—1392'С; оно парамагнитно.

Кристаллическая решетка -желеэа объемно-центрированная кубическая с периодом решетки 0,286 нм. До температуры 768*С железо ферромагнитно. Температуру 768*0, соответствующую переходу -железа из ферромагнитного состояния в парамагнит­ное, называют точкой Кюри. Кристаллическая решетка -железа гранецентрированяая кубическая.

Углерод — неметаллический элемент, атомный номер 6, плот­ность 2,5 г/см³, температура плавления 3500. Углерод раство­рим в железе в жидком и твердом состоянии, а также может быть в виде химического соединения — цементита, а в высокоуглеродистых сплавах — в виде графита.

Рис. 3.4.1. Диаграмма состояния «железо — углерод»: 1 — метастабильная система; 2 — стабильная система

Углерод может находиться в равновесии с жидкой фазой и с твердыми растворами на основе железа в виде цементита (метастабильное равновесие) или графита (стабильное равновесие) в зави­симости от внешних условий. Эго обстоятельство определяет два варианта диаграммы состояния «железо — углерод» (рис. 3.4.1). Большее практическое значение имеет метастабильная диаграм­ма состояния. С помощью этой диаграммы объясняют не только превращения, происходящие в сталях и белых чугун ах. Она яв­ляется основой для выбора оптимальных режимов термообра­ботки железоуглеродистых сплавов.

Наряду с основными компонентами в этих сплавах имеются постоянные технологические примеси, которые могут оказывать существенное влияние на их свойства и формирование струк­туры.

В системе Fе — Fe₃C различают следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы — феррит и аустенит, а также цемен­тит (в том числе первичный, вторичный и третичный).

К структурным составляющим в системе Fe — Fe₃C, наряду с перечисленными выше фазами, относятся ледебурит и перлит.

1.2. Анализ фазового состава диаграммы состояния «железо — цементит»

Рассмотрим области диаграммы состояния «железо — цемен­тит», которые отвечают равновесным состояниям сплавов систе­мы, и основные фазовые превращения.

Однофазные области диаграммы состояния Fe — Fe₃С

• жидкая фаза L — расплавы выше линии ликвидуса AВСD,

• феррит Ф: высокотемпературная область — левее линии AHN; низкотемпературная область — левее линии GPQ\

• аустенит А — область ограничена линией NIESG;

• цементит Ц — вертикальная линия DFKL

В двухфазных областях в равновесии находятся:

• жидкий раствор и кристаллы феррита (АВН);

• кристаллы феррита и аустенита (HIN к GSP);

• жидкий раствор и кристаллы аустенита. (IВСЕ);

• жидкий раствор и аустенит (СDF);

• кристаллы аустенита и цементита (SECFK)',

• кристаллы феррита и цементита (QPSKL)

Трехфазным равновесным состояниям сплавов отвечают гори­зонтальные линии на диаграмме состояния:

• при t = 1499 (линия НIB) в сплавах с концентрацией уг­лерода от 0,1 до 0,51% происходит перитектическое превраще­ние в результате взаимодействия кристаллов феррита с жидким раствором:

– аустенит; (3.4.1)

• при t = 1147 (линия ECF) в сплавах с концентрацией уг­лерода от 2,14 до 6,67% происходит эвтектическое превращение:

- ледебурит; (3.4.2)

• при t —727(линия PSK) в сплавах системы с концентраци­ей углерода более 0,02% происходит эвтекгоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на дисперсную механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита:

- перлит. (3.4.3)

Рис. 3.4.2. К примеру расчета состава фаз с помощью правила отрезков

Составы и количества фаз в системе «железо — цементит» можно определить на коноде с помощью правила отрезков. На примере условной диаграммы состояния бинарной системы, со­стоящей из компонентов А и В (рис. 3.4.2), рассмотрим прин­цип расчета количественного соотношения фаз для двухфазной области приведенной диаграммы. Для этого через точку а на фигуративной линии сплава необходимо провести горизонталь­ную линию — коноду — до пересечения с ближайшими линия­ми диаграммы (точки b и с). Проекция точки b на ось концент­раций покажет процентное содержание компонентов в области слева от точки Ь, проекция точки с — процентное содержание компонентов в области справа от точки с. Весовое количество фаз определится из соотношения отрезков коноды:

Количество фазы 1 - (3.4.4.)

Количество фазы 2 - (3.4.5.)