Тема 1.5. Диаграммы состояния сплавов

Диаграмма состояния системы с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Диаграмма состояния системы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Связь между структурой и свойствами.

Диаграмма состояния системы «железо-цементит», ее анализ. Нахождение критических точек стали на диаграмме. Структурные составляющие сталей и белых чугунов, их характеристика, условие образования, свойства.

Литература: [2], стр16-28; [3], с.72-77

Лабораторная работа №2

Изучение под микроскопом микроструктур отожженных и нормализованных сталей, белых и серых чугунов по готовым микрошлифам.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Прежде чем приступить к изучению диаграммы «железо-углерод», необходимо хорошо усвоить основные структурные составляющие железоуглеродистых сплавов: феррита, цементита, перлита, аустенита, ледебурита, графита.

Изучая диаграмму «железо-цементит», следует помнить, что в сплавах железа с углеродом углерод может находиться в химически связанном виде с железом, т.е. в виде цементита (в сталях и белых чугунах), а также в структурно-свободном состоянии - в виде графита (в серых чугунах). Это зависит от химического состава (содержания элементов), скорости охлаждения сплавов и других факторов.

Графит - химически чистый углерод в свободном состоянии. Он образуется при медленном охлаждении жидкого чугуна, содержащего цементит, который распадается на железо и графит.

Форма графита может быть пластинчатой (встречается в серых чугунах), хлопьевидной (в ковких чугунах) и шарообразной (в высокопрочных чугунах).

В зависимости от состояния углерода диаграммы железоуглеродистых сплавов могут двух видов: цементитная и графитная. Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния системы «железо-цементит», которая в упрощенном виде приведена на рис.1.

Рисунок 1

Наибольшее количество углерода по диаграмме 0,67% соответствует содержанию углерода в химическом соединении-цементите. Следовательно, компонентами, составляющими сплавы этой системы, будут являться, с одной стороны, чистое железо (Fe), с другой - цементит (Fe₃С).

Рассмотрение этой диаграммы показывает, что она включает в себя диаграммы состояний типичных сплавов, ранее изученных.

Рекомендуется следующий порядок изучения диаграммы:

Научить верхнюю часть диаграммы, характеризующую первичную кристаллизацию сплавов.

Изучить нижнюю часть диаграммы (ниже линии солидуса), где происходит вторичная кристаллизация. При этом следует усвоить, что причиной превращений, происходящих в затвердевших сплавах ниже указанной линии, является то, что с понижением температуры железо переходит из одной аллотропической формы в другую (Fey — Fea), а растворимость углерода в Fea заметно уменьшается.

Затем следует тщательно рассмотреть стальную часть диаграммы, а потом перейти к чугунам.

Для уяснения процессов кристаллизации сплавов и образования их структур необходимо на диаграмме найти точку, соответствующую заданному процентному содержанию углерода, и из нее провести вертикальную линию, пронумеровав точки ее пересечения с линиями диаграммы.

Точки пересечения, спроектированные на ось ординат, покажут значения критических температур превращения в сплаве.

В качестве примера рассмотрим фазовые превращения при охлаждении стали, содержащей углерода 0,4%.

Выше точки I сплав находится в жидком однофазном состоянии; при температуре точки I начинается выделение кристаллов аустенита; в интервале температур от точки 1 до точки 2 сталь имеет двухфазное состояние: кристаллы аустенита и жидкий раствор переменного состава. В точке 2 сплав затвердевает. В интервале температур от точки 2 до точки 3 сплав имеет одну фазу (аустенит) и охлаждается без фазовых превращений.

В интервале температур от точки 3 до точки 4 происходит вторичная кристаллизация ста­ли: из аустенита выделяется феррит; в аустените содержание углерода увеличивается но линии GS до предела в точке S (0,8%).

При температуре точки 4 (727°С) аустенит превращается в перлит; при этом сталь имеет трехфазное состояние; кристаллы аустенита, феррита и цементита. Ниже эвтектоидной температуры (727°С) сталь имеет структурные составляющие - феррит и перлит. Рекомендуется по диаграмме последовательно рассмотреть процессы первичной и вторичной кристаллизации для сплавов:

C=0,5%, C=0,8%, C=1%,C=5%.

Нельзя путать «эвтектику» с «эвтектоидом». Эвтектика - это механическая смесь, образующаяся при затвердевании чугуна, а эвтектоид - это механическая смесь, образовавшаяся при затвердевании стали в результате вторичной кристаллизации при распаде аустенита.

Необходимо запомнить обозначения критических точек при нагревании (Ас₁, Ас₃ и Ас_m)и при охлаждении (Аr₁ ,Аr₂ ,Аг_m),которые приводятся в учебниках.

При изучении диаграммы необходимо особо четко уяснить, что критическая температура Ас₃ меняется в зависимости от содержания углерода в стали по линии GS, причем, чем больше углерода в стали, тем она становится меньше (для доэвтектоидных сталей).

Например, для чистого железа Аc₃ = 910°, для стали с содержанием углерода 0,5% - Ас₃ = 750°, для стали с содержанием углерода 0,8% - Ас₃ = 727° и т.д. Критическая температура Ас₁, характеризующая перлитные превращения для всех железоуглеродистых сплавов, имеет одно и то же значение - 727°.

Критическая температура Ас_m меняется в зависимости от содержания углерода в сплаве по линии ES, причем, чем больше углероде в стали, тем выше эта температура. Например, для стали с содержанием углероде 2,14% Ас_m = 1147°, для стали с содержанием углерода 0,8% Ас_m = 727° и т.д. Более подробно следует изучить стальную часть диаграммы (С = до 2,14%).

В результате изучения настоящей темы учащийся должен усвоить и знать структуры железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии. Под равновесным состоянием сплава понимается состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния. Такое состояние наступает только при медленном охлаждении (см. приведенные структуры на рис. 1).

Учитывая трудоемкость и сложность этой темы, необходимо вести подробный конспект.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Перечислите типы сплавов.

2. Что называется системой, компонентом и фазой?

3. Зарисуйте и объясните схему распределения атомов в решетках твердых растворов замещения и внедрения.

4. В чем отличие твердого раствора от химического соединения?

5. Объясните принцип построения диаграммы состояния сплава из двух компонентов.

6. Что называется линией ликвидуса и солидуса?

7. Чем характеризуется эвтектический сплав?

8. Что такое феррит? Чем отличается он от альфа-железа?

9. Что такое аустенит? Чем отличается он от гамма-железа?

10. По какой линии диаграммы "железо-цементит" происходит распад аустенита (для любого сплава) на феррито-цементную смесь (перлит)?

11. Какие структурные превращения происходят в сталях, содержащих 0,4% и 1,2% углерода при медленном охлаждении из расплавленного состояния?

12. Какие структурные превращения происходят в чугунах, содержащих 3% и 5% углерода при медленном охлаждении из расплавленного состояния?

13. Какие структуры имеют при комнатной температуре доэвтектоидиая, эвтектоидная и заэвтектоидная стали?

14. Пользуясь диаграммой "железо-цементит", определите температуры плавления и конца первичной кристаллизации, а также температуры аллотропических превращений для сплавов, содержащих 0,2%, 1%, 3%, 4,7% углерода.

15. Найдите на диаграмме состояния сплавов железа с углеродом точку Ас₃ для стали, содержащей 0,5% С.

16. Найдите точку Ас_m, на диаграмме "железо-цементит" для стали, содержащей 0,5% С.

17. Назовите структурные составляющие доэвтектического и заэвтектичаского белых чугунов.