vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Лабораторная работа 2
АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД
Цель работы – изучить диаграмму состояния Fe – C и структурные превращения железоуглеродистых сплавов.
Задание и порядок выполнения работы
1.Ознакомиться с основными теоретическими положениями.
2.Дать описание основных линий, точек, фаз и структурных составляющих диаграммы состояния железо – цементит.
3.Вычертить диаграмму состояния в масштабе с принятым обозначением точек, температур, концентраций углерода и обозначить структуры во всех областях диаграммы.
4.Научиться определять концентрации углерода в фазах при различных температурах и количественные соотношения фаз, используя правило отрезков.
5.Построить кривые охлаждения заданных сплавов с применением правила фаз, занести номера критических точек, числа степеней свободы, структуры на каждом участке кривой и превращения на горизонтальных участках.
Основы теории Наиболее распространенными металлическими материалами являются
сплавы железа и углерода – стали и чугуны. В сталях содержится менее 2,14%С, а в чугунах – более 2,14%С. Диаграмма железо – углерод показывает фазовый состав и структуру железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов).
Рассмотрим компоненты системы железо – углерод и их взаимодействие. Компоненты – вещества, образующие систему:
1. Железо – металл сероватого цвета, температура плавления 1539 ºС, плотность 7,68 г/см3. Железо имеет четыре модификации: α, β, γ и δ.
При температурах ниже 911ºС кристаллическая решетка железа – объемно центрированный куб (ОЦК). Эту модификацию называют α-железо. До температуры 768 ºС (точка Кюри) α-железо магнитно, выше – немагнитно. Его называют β – немагнитным или β – железом.
При нагреве железа объемно центрированная кубическая решетка при 911 ºС перестраивается в гранецентрированную кубическую (ГЦК). Эта модификация существует до 1392 ºС и называется γ-железом.
Выше 1392 С и до температуры плавления вновь устойчивой является ОЦК решетка – δ-железо.
2. Углерод – неметаллический элемент, плотность 2,5 г/см3, температура плавления 3500 ºС. В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме графита.
Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, может образовывать химическое соединение – цементит.
14
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Практическое значение имеет часть диаграммы от железа до цементита (рис. 6), называется также диаграммой железо – цементит (Fе – Fe3C).
Фазы. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую строение, состав и свойства изменяются скачкообразно. В системе железо – углерод различают следующие фазы: жидкий расплав, феррит, аустенит, цементит; рассмотрим подробнее.
а
б
Рис. 5. Кристаллические решетки:
а – феррита, б – аустенита.
1.Феррит – твердый раствор внедрения углерода
вα-железе (рис. 5,а).
Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, а также в вакансиях, на дислокациях и т.д. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: при комнатной температуре (точка Q) – 0,006 %, максимальную – 0,02 %С при температуре 727oС (точка P). В высокотемпературном феррите максимальное содержание углерода (0,1%) наблюдается при температуре 1499°С (точка Н диаграммы).
Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок и пластичен, магнитен до 768o С.
При 0,006 %С: в = 250 МПа, 0,2 = 120 МПа, = 50%, 80–100НВ.
2. Аустенит – твердый раствор углерода в - железе (рис. 5,б).
Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. Предельная растворимость углерода в -железе – 2,14% при температуре 1147 ºС (точка Е).
3. Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe3C.
Вцементите содержится 6,67% (концентрация углерода при изменении температуры остается неизменной, в отличие от твердых растворов). Имеет сложную ромбическую решетку. Цементит – неустойчивое химическое соединение и в определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.
Цементит самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов (твердость ≈ 800 НВ, δ=0%).
Вжелезоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.
15
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
4. Жидкий расплав. Углерод растворяется в железе в жидком состоянии, образуя однородный жидкий расплав.
Кристаллизация сплавов
ABCD – линия ликвидус, ниже которой происходит кристаллизация сплавов.
AHJECF – линия солидус, линия окончания кристаллизации.
При содержании углерода в сплаве менее 0,51% кристаллизация начинается с выделения -феррита; при 0,51 %С 4,3 с выделения аустенита; кристаллизация сплавов, содержащих 4,3 %С 6,67 начинается
свыделения из расплава кристалликов цементита первичного.
Всплавах, содержащих до 0,1% С, кристаллизация заканчивается при
температурах, соответствующих линии AH, с образованием -феррита. Сплавы, содержащие 0,1 %С 0,51 при температуре 1499 С
испытывают перитектическое превращение:
ЖB + ФН АJ
Линия HJB – линия перитектических превращений.
При содержании углерода от 0,1% до 0,16%, то есть между т. Н и т. J, недостаточно жидкости для реакции со всем имеющимся количеством феррита. Поэтому после окончания реакции остается избыточный феррит, который с понижением температуры вплоть до линии JN переходит в аустенит.
При содержании углерода от 0,16%, до 0,51%, то есть между т. J и В, количество феррита недостаточно для реакции со всем имеющимся количеством жидкости. Поэтому после окончания реакции остается избыточная жидкость, которая с понижением температуры вплоть до линии солидус JE кристаллизуется в аустенит.
Сплавы, содержащие до 2,14%С, называются сталью, а более 2,14% С – чугуном. Принятое разграничение совпадает с предельной растворимостью углерода в аустените. Стали после затвердевания имеют аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали при повышенных температурах легко деформируются и в отличие от чугуна являются ковкими сплавами.
Особенность первичной кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 2,14% заключается в том, что она заканчивается эвтектическим превращением при t = 1147 С:
ЖC АЕ+ЦF
Эвтектический сплав (4,3% С) затвердевает при постоянной температуре с образованием эвтектики – ледебурита – механической смеси аустенита и цементита.
16
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Рис. 6. Диаграмма состояния железо – углерод.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
В до- и заэвтектических чугунах первичная кристаллизация начинается с выделения избыточной фазы, соответственно аустенита или цементита. По мере выделения избыточной фазы состав жидкости, изменяясь по линии ликвидус, приближается к составу эвтектики. На линии ECF жидкая фаза в любом сплаве имеет эвтектический состав (4,3% С), поэтому линия ECF называется линией эвтектических превращений.
Ледебурит имеет сотовое (пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита) или пластинчатое (тонкие пластины цементита, разделенные аустенитом – образуется при быстром охлаждении) строение. Сотовое и пластинчатое строение нередко сочетается в одной колонии.
Ледебурит хрупок, тверд (700НВ) и плохо обрабатывается резанием.
По сравнению со сталями чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами (низкой температурой плавления, имеют меньшую усадку).
Фазовые и структурные изменения после затвердевания связаны с полиморфизмом железа, изменением растворимости углерода в
аустените и феррите с понижением температуры и эвтектоидным превращением.
В доэвтектоидных сплавах (%С 0,8%) ниже линии GOS -решетка аустенита перестраивается в -решетку, что и приводит к образованию феррита, линия GOS называется линией ферритных превращений. В температурной области PGS по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, они растут, поглощая зерна аустенита.
По мере выделения феррита состав аустенита изменяется по линии ферритных превращений, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK (727 ºС), где происходит эвтектоидное превращение. Эвтектоидное превращение заключается в распаде аустенита на механическую смесь феррита и цементита. Перлит – механическая смесь феррита и цементита. Линия PSK – линия эвтектоидных превращений.
АsФр+Цк
После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру: феррит + перлит. Чем больше углерода, тем меньше феррита и больше перлита.
Сплавы с содержанием углерода менее 0,02% называются техническим железом. Ниже линии GP существует только феррит. С понижением температуры растворимость углерода в -железе уменьшается в соответствии с линией PQ – линией предельной растворимости углерода в - железе. Из феррита выделяется цементит третичный. Точка Р соответствует максимальной растворимости углерода в -железе – 0,02%.
Линия МО – линия магнитных превращений. Сталь при нагреве становится немагнитной, никаких структурных изменений при этом не происходит.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
В заэвтектоидных сталях (0,8 %С 2,14) вследствие уменьшения растворимости углерода в -железе с понижением температуры выделяется избыточная фаза – вторичный цементит. Превращение аустенита начинается в соответствии с линией ES – линией цементитных превращений (или предельной растворимости углерода в -железе).
По мере выделения цементита состав аустенита изменяется по линии ES, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK, где происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит.
После окончательного охлаждения заэвтектоидные сплавы имеют структуру: цементит + перлит.
Вэвтектоидной стали (0,8%С) весь аустенит переходит в перлит. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Толщина пластинок 7,3:1. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение.
Перлит с пластинчатым цементитом обладает твердостью 200 – 230 НВ, пределом прочности 800 – 900 МПа, относительным удлинением 10%.
Вдоэвтектических чугунах ниже 1147 С происходит частичный распад аустенита – как первичных его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в состав ледебурита (вследствие уменьшения растворимости углерода в соответствии с линией SE).
При 727 С аустенит, обедненный углеродом до 0,8%, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны, после окончательного охлаждения имеют структуру перлит + цементит вторичный + ледебурит, где ледебурит – механическая смесь перлита и цементита. Эвтектический чугун состоит только из ледебурита (перлит + цементит). Заэвтектический чугун содержит углерода больше 4,3% и после затвердевания его структура – цементит + ледебурит.
Фазовый состав всех сплавов при температуре ниже 727 С одинаков; они состоят из феррита и цементита1. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо – цементит является их структура.
Построение кривых охлаждения При построении кривых охлаждения необходимо пользоваться правилом
фаз: с=k – f + 1,
где с – вариантность системы (число степеней свободы), k – число компонентов, f – число фаз.
Количество компонент в данной системе всегда равно 2 – это железо и углерод.
Количество фаз находят используя диаграмму (рис. 6).
1 Умножение содержания углерода на 15 дает содержание цементита в стали и чугуне, % по массе, а практически и по объему.
19
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Не следует путать фазы со структурными составляющими, так как последние могут быть однофазными и многофазными, а одна и та же фаза может входить в разные составляющие. Например, в доэвтектических чугунах при комнатной температуре цементит вторичный, цементит перлита и цементит ледебурита является одной и той же фазой. Структура этого чугуна – перлит + ледебурит + цементит, а фазовый состав – феррит + цементит. Рассуждения: перлит это двухфазная структурная составляющая, состоящая из феррита и цементита; ледебурит при комнатной температуре состоит из перлита и цементита, в свою очередь, перлит сам по себе тоже неоднороден и является смесью феррита и цементита; а структурная составляющая цементит – однофазна. Схематично эти рассуждения можно представить следующим образом:
Зная количество фаз и количество компонент, можно определить число степеней свободы. На линиях эвтектического, эвтектоидного и перитектического превращений система Fе – Fе3С находится в трехфазном состоянии, которое согласно правилу фаз является для двухкомпонентных систем нонвариантной: C=2-3+1=0. Все превращения при С = 0 происходят при постоянных температурах, и на кривой охлаждения они характеризуются горизонтальным участком.
Вдвухфазных областях диаграммы системы являются моновариантным:
С= 2-2+1=1, в связи с чем превращения в сплавах в этих областях происходят в интервале температур. Выделение скрытой теплоты кристаллизации замедляет темп снижения температуры, поэтому участки кривых охлаждения в таких случаях будут пологими (с меньшим наклоном). Начало и конец превращений, когда изменяется вариантность системы, фиксируют на кривых охлаждения перегибами.
Воднофазных областях системы биварианты: C=2-1+1=2. При этом с изменением температуры никаких превращений не происходит, и на кривых охлаждения будут крутые участки (с большим наклоном).
Кривые охлаждения необходимо строить, начиная с жидкого состояния. На каждом участке кривой должны быть обозначены число степеней свободы (С = ...) и структуру. На горизонтальных участках обозначают превращения, например, А→Ф+Ц.
На рис. 7 приведен пример построения кривой охлаждения заэвтектоидной стали содержащей 1,5%С.
Выше линии ликвидус сплав находится в жидком однофазном состоянии. В соответствии с правилом фаз (С=2-1+1=2, фаза - жидкий раствор) система в этой области бивариантна, фазовых превращений не
20
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
происходит, и температура до точки 1 снижается достаточно интенсивно (крутой участок кривой охлаждения).
В точке 1 начинается процесс первичной кристаллизации, продолжающийся до точки 2, из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита. По мере охлаждения сплава от точки 1 до точки 2 концентрация компонентов в аустените изменяется согласно линии JЕ от точки J к точке 2, а в жидкости – согласно линии BC от точки 1 к точке 2 (рис. 3). Составы и количества фаз определяют по правилу отрезков. Например, в точке m состав жидкой фазы найдем проекцией точки n на ось концентраций, а состав твердой фазы – проекцией точки k.
2΄
Рис. 7. Диаграмма состояния Fe – C и кривая охлаждения для стали, содержащей 1,5%С.
Количество фаз определяют из соотношения отрезков:
Q |
|
|
km |
100 %; |
Q |
|
|
mn |
100 % |
|
ж |
kn |
тв |
kn |
|||||||
|
|
|
|
|
|
Процесс первичной кристаллизации в данном случае идет при понижении температуры, что согласуется с правилом фаз (С=2-2+1=1; фазы - жидкий раствор и аустенит). Таким образом, система в этой области моновариантна, в процессе превращения выделяется скрытая теплота кристаллизации, замедляющая снижение температуры, поэтому участок кривой охлаждения будет пологим. Первичная кристаллизация сплава заканчивается в точке 2.
В интервале между точками 2 и 3 сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений. Система при этом бивариантна (C=2-1+1=2; фаза - аустенит), участок кривой охлаждения будет крутым.
При температуре, соответствующей точке 3, достигается предел насыщения аустенита углеродом. Ниже этой точки аустенит становится перенасыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и здесь выделяется в виде вторичного цементита. Процесс кристаллизации вторичного цементита, в соответствии с правилом фаз, протекает с понижением температуры сплава (С=2-2+1=1; фазы - аустенит и
21
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
цементит). Таким образом, система моновариантна, выделяющаяся скрытая теплота кристаллизации замедляет снижение температуры, и участок кривой охлаждения будет пологим. Концентрация углерода в аустените при этом изменяется согласно линии ES от точки 3 к точке S и достигает эвтектоидной (0,8%С) при температуре 727 С (точка 4). При этой температуре и концентрации аустенит превращается в перлит (эвтектоидное превращение):
Аs Фр+Цк
Согласно правилу фаз при эвтектоидном превращении система нонвариантна (С=2-3+1=0; фазы - аустенит, цементит, феррит), процесс идет при постоянной температуре, и на кривой охлаждения будет горизонтальный участок.
Ниже температуры 727°С в рассматриваемом сплаве практически не происходит превращений. По теоретическим данным, из феррита здесь выделяется третичный цементит, вследствие чего система будет моновариантной (С=2-2+1=1; фазы – феррит и цементит). Но феррит здесь содержится только в составе перлита, третичный цементит выделяется в незначительном количестве и металлографически не обнаруживается, так как сливается с цементитом перлита. Таким образом, в структуре стали данного состава при комнатной температуре наблюдаются зерна перлита, окаймленные тонкой сеткой вторичного цементита.
Превращения в сплавах в процессе нагрева происходят в обратной последовательности при некотором их перегреве выше температур равновесного состояния.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Как взаимодействует углерод с железом?
2.Какое максимальное процентное содержание углерода может быть в α-, γ-, δ-железе?
3.Укажите линии и точки диаграммы, приведите их названия.
4.Что представляет собой каждая из структурных составляющих: аустенит, феррит, цементит, перлит, ледебурит?
5.Что представляет собой перитектическое превращение?
6.Что представляет собой эвтектическое превращение и как оно протекает?
7.Что представляет собой эвтектоидное превращение и как оно протекает?
8.Какие фазы присутствует на линии PSK и каковы их составы? Какова вариантность системы на этой линии?
9.Какой цементит называется первичным, вторичным, третичным?
10.В чем причина выделения вторичного и третичного цементита по мере понижения температуры?
11.Расскажите и покажите, как определяется концентрация углерода в аустените при различных температурах в заэвтектоидных сталях и доэвтевктических чугунах.
12.Какое изменение происходит в ледебурите на линии РSК?
13.В чем причина выделения феррита в доэвтектоидных сталях ниже линии
GS?
22
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
14.Какие фазы присутствуют в доэвтектических чугунах при комнатной температуре и какова при этом вариантность системы?
23