Задание №2

Вычертить диаграмму состояния железо-цементит (железо-углерод), указать структурные превращения во всех областях диаграммы, описать превращения и построить кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,5 % С. Какова структура этого сплава при температуре 650 и как такой сплав называется?

Решение:

Рисунок 3 – Диаграмма состояния железо-цементит

Компонентами данной системы являются железо и углерод.

На диаграмме могут быть четыре фазы:

- жидкая фаза (Ж);

- феррит (Ф);

- аустенит (А);

- цементит (Ц).

Жидкая фаза существует выше линии ликвидус. Железо хорошо растворяет углерод, образуя однородную жидкую фазу.

Линии на диаграмме:

АСД — ликвидус; ЛЕСЕ — солидус; SE — линия предельной растворимости углерода в аустените; PQ — линия предельной растворимости углерода в феррите; GS— линия начала вторичной перекристаллизации (при охлаждении) — аустенита в феррит; PG — линия конца вторичной перекристаллизации; S — эвтектоидная точка; PSK — линия эвтектоидного превращения; С — эвтектическая точка; ECF — линия эвтектического превращения.

Сплавы на диаграмме:

до 0,02 % С — техническое железо (феррит);

до 2,14 % С — углеродистые стали;

свыше 2,14 до 6,67 % С — углеродистые чугуны;

от 0,006 до 0,8 % С — доэвтектоидные стали;

0,8 % С — эвтектоидная сталь;

свыше 0,8 до 2,14 % С — заэвтектоидные стали;

от 2,14 до 4,3 % С — доэвтектические чугуны;

4,3 % С — эвтектический чугун;

свыше 4,3 до 6,67 % С — заэвтектические чугуны;

6,67 % С - цементит.

В сплавах, содержащих до 0,1% углерода (до точки Н), при охлаждении происходит кристаллизация Fe₃(C) с последующим превращением его в аустенит. В сплавах, содержащих 0,1... 0,5 % углерода (до точки В), образование аустенита происходит по линии HJB при 1499°С.

Таким образом, все сплавы, содержащие до 2,14 % углерода, после окончания кристаллизации жидкого раствора имеют структуру аустенита.

Сплавы, с содержанием углерода меньше 0,02%, расположены левее точки P и представляют собой технически чистое железо. После кристаллизации аустенита, при его охлаждении до точки на линии GS в сплаве никаких фазовых превращений не происходит: аустенит просто охлаждается. На линии GS начинается перестройка решетки аустенита (г.ц.к.) в решетку феррита (о.ц.к.) с изменением содержания углерода в обоих твердых растворах: по мере охлаждения состав аустенита изменяется по линии GS, а состав феррита – по линии GP. Состав сплавов и количество фаз для сплавов системы Fe–Fe₃C определяют и рассчитывают по правилу отрезков. В точке А₁ на линии GP вторичное превращение заканчивается и до точки на линии PQ происходит охлаждение образовавшегося феррита. Ниже линии OP сплавы находятся в области двухфазного состояния Ф+Ц. Линия PQ – линия переменной растворимости углерода в решетке феррита от 0,02 до 0,006%. Этот избыточный углерод образует с железом химическое соединение Fe₃C, т.е. Ц_III (цементит третичный, в отличие от цементита вторичного Ц_II). При обычном охлаждении Ц_III выделяется главным образом внутри зерен в виде очень дисперсных включений, увеличивая прочность феррита. Если охлаждение проводить медленно, то Ц_III будет выделяться по границам зерен феррита.

Рассмотрим первичные и вторичные превращения в сталях, т.е. в сплавах с содержанием углерода от 0,02 до 2,14%.

При охлаждении сплава, содержащего 0,8 % углерода, до 727°С аустенит не испытывает никаких превращений, поэтому при температуре 727°С весь аустенит превратится в перлит по эвтектоидной реакции

(2.1)

При эвтектоидном превращении наблюдается восходящая диффузия. Ведущей фазой является цементит. Пластинка цементита начинает расти от границы зерна аустенита, центром кристаллизации оказывается неметаллическое включение. Соседние области обедняются углеродом и там образуется феррит, причем г.ц.к. решетка аустенита превращается в о.ц.к. решетку феррита. Повторяясь многократно, этот процесс приводит к образованию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок, цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделение цементита, тем хуже механические свойства перлита.

Рассмотрим кристаллизацию сплавов содержащих от 2,14 до 4,3% С, т.е. расположенных от точки Е до точки С. С понижением температуры состав аустенита изменяется по линии солидуса JE, а состав жидкой фазы – по линии ликвидуса. Содержание углерода в оставшемся жидком растворе увеличивается с понижением температуры и при 1147°С становится равным эвтектическому, т.е. 4,3 %. Жидкий раствор ЖР_{4,3% С} претерпевает эвтектическое превращение . При температуре между линиями ECF и PSK сплав имеет структуру А + Л(А + Ц_I) + Ц_II. Вторичные превращения в чугуне на I этапе связаны с уменьшением растворимости углерода в аустените по мере снижения температуры по линии ES, из аустенита выделяется цементит вторичный (Ц_II). При 727°С аустенит достигает эвтектоидной концентрации с содержанием углерода 0,8% и далее на II этапе происходит эвтектоидное превращение . Эвтектическая реакция образования ледебурита идет по всей линии ECF.

(2.2)

Кристаллизация сплава I

Кривая охлаждения сплава I доэвтектического белого чугуна типична для всех сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3 % С, т.е. расположенных от точки Е до точки С. Кристаллизация зерен аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2 (рисунки 3 и 4). С понижением температуры состав аустенита изменяется по линии солидуса JE, а состав жидкой фазы – от точки 1 до точки С. Содержание углерода в оставшемся жидком растворе увеличивается с понижением температуры и при 1147°С становится равным эвтектическому, т.е. 4,3%. Жидкий раствор ЖР_{4,3% С} претерпевает эвтектическое превращение . При температуре между линиями ECF и PSK сплав имеет структуру А + Л(А + Ц_I) + Ц_II. Вторичные превращения в доэвтектическом белом чугуне на I этапе связаны с уменьшением растворимости углерода в аустените по мере снижения температуры по линии ES, из аустенита выделяется цементит вторичный (Ц_II). При 727°С аустенит достигает эвтектоидной концентрации с содержанием углерода 0,8% и далее на II этапе происходит эвтектоидное превращение . Структура доэвтектического белого чугуна будет П + Л(П + Ц_I) + Ц_II. Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита.

Рисунок 4 – Кривая охлаждения доэвтектического чугуна

Структура сплава, содержащего 2,5 % С при температуре 650 , смесь ледебурита с цементитом вторичными. Сплав, содержащий 2,5 % С, называется доэвтектический чугун.