13

Диаграмма состояния сплавов «железо-углерод» цель работы

Изучить фазовые и структурные превращения железоуглеродистых сплавов и научиться строить для них кривые охлаждения.

1. Теоретическая часть

Углеродистые стали и чугуны являются конструкционными материалами, применяемыми в промышленности. Фазовые превращения, которые происходят в них при нагреве и охлаждении, необходимо знать при выборе режимов термической обработки, сварке, горячей обработке металлов давлением (прокатке, ковке, штамповке).

Изменение фазового состава сплавов в зависимости от температуры и соотношения компонентов показывает диаграмма состояния.

Сплавы системы Fe-C образуют два компонента — железо и углерод.

Железо - металл серебристо-белого цвета, имеет атомный вес 55,85; атомный радиус 1,27 А⁰; температура плавления 1539 °С (точка А), плотность 7,86 г/см . Железо обладает высокой прочностью и твердостью, высокой пластичностью: НВ 80, о_в = 250 МПа, 5 = 50 %, xj = 80 %. Оно имеет три полиморфные модификации: Fe_a, Fe_y и Feg. До 911 °С железо имеет кубическую объемно-центрированную решетку (ОЦК - Fe_a), от 911 до 1392 °С - кубическую гранецентрированную решетку (ГЦК - Fe_y), от 1392 до 1539 °С - кубическую объемно-центрированную решетку (ОЦК - Fes).

Углерод - неметаллический элемент, атомный радиус 0.77 А⁰; атомный вес - 12,01; температура плавления 3500 °С; плотность - 2,5 г/см³. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может находиться в виде модификаций алмаза и фуллерена. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состоянии, с железом может образовывать химическое соединение - карбид железа РезС (цементит).

1.1. Фазы на диаграмме Fe-C

На диаграмме Fe-C могут быть четыре фазы: жидкая (Ж), феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц).

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

Феррит — твердый раствор внедрения углерода в Fe_a Атом углерода располагается в центре грани куба. Растворимость его переменная от температуры. Максимальная растворимость достигает 0,02 % при 727 °С. При комнатной температуре максимально растворяется до 0,006 %. Феррит - техническое железо; он ферромагнитен до 768 °С (точка Кюри), а выше - парамагнитен.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в Fe_y. Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. Растворимость его переменная от температуры. Предельная растворимость углерода в Fe_a 2,14 % при 1147 °С и 0,8 % при 727 °С. Аустенит парамагнитен, вязок, пластичен. Твердость НВ 170, 5 = (40...50)%.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом Fe₃C. В цементите содержится 6,67 % С. Он имеет сложную орторомбическую решетку, в элементарной ячейке которой находится 12 атомов железа и 4 атома углерода. Температура плавления цементита точно не определена и принимается равной 1600 °С (точка Д). Цементит обладает очень высокой твердостью - порядка 800 НВ, хрупкий. Магнитные свойства теряет при 217 °С. По моменту образования в сплаве при охлаждении цементит условно подразделяется на первичный (Ц) - кристаллизуется из жидкой фазы, вторичный (Цц) - образуется за счет изменения растворимости углерода в аустените, третичный (Ци) - образуется за счет изменения растворимости углерода в феррите.

В работе рассматривается упрощенная диаграмма Fe-C без высокотемпературного участка перитектического превращения (рисунок).

2. Линии на диаграмме Fe-C

ACD - ликвидус; AECF - 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; С - эвтектическая точка; PSK - линия эвтектоидного превращения; ECF - линия эвтектического превращения.

2. Сплавы на диаграмме Fe-C

В зависимости от содержания углерода сплавы называются: до 0,02 % С - техническое железо; до 2,14 % С - углеродные стали;

от 0,02 до 0,8 % С - доэвтектоидные стали;

0,8 % С - эвтектоидная сталь; свыше 0,8 до 2,14 % С - заэвтектоидные стали; свыше 2,14 до 6,67 % С - углеродные чугуны; от 2,14 до 4,3 % С - доэвтектические чугуны;

4,3 % С — эвтектический чугун;

■ свыше 4,3 до 6,67 % С - заэвтектический чугун;

6,67 % С - цеме

Диаграмма состояния сплавов системы “Fe - С” и кривая охлаждения эвтектического сплава

4. Двухфазные структуры на диаграмме Fe-C

Перлит (П) — это механическая или эвтектоидная смесь двух фаз: феррита и цементита вторичного. Он образуется при охлаждении, когда аустенит, содержащий 0,8 % С ( точка S), распадается на две фазы - бедную углеродом (Ф) и богатую углеродом (Ц). Твердость перлита около НВ 200.

Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре (линия

PSK):

727 °С

А -> П(Ф + Ц„) (1)

0.8% С 0.02% С 6.67% С

Ледебурит (Л) — это механическая или эвтектическая смесь аустенита и цементита в интервале температур от 1147 до 727 °С и перлита и цементита ниже 727 С.

Ледебурит образуется при температуре 1147 °С, когда жидкая фаза содержит 4,3 % С (точка С). Он имеет твердость около 650 НВ.

Эвтектическое превращение идет при постоянной температуре (линия

ECF):

1147 °С

Ж -» Л(А + Ц) (2)

4.3% С 2.14% С 6.67% С

4. Фазовые превращения сплавов

Изучение фазовых превращений сплавов необходимо связывать с кривыми охлаждения. Вид кривой охлаждения для эвтектического сплава (4,3 % С) приведен на рисунке. На его примере подробно рассмотрим превращения, которые происходят при охлаждении сплава.

При постоянной температуре 1147 °С (точка С) вся жидкая фаза превращается в ледебурит (2), в котором аустенит содержит 2,14 % С. По мере охлаждения содержание в нем углерода снижается до 0,8 %. Этот избыточный углерод образует с железом цементит вторичный (Цц). При температуре 727 °С идет эвтектоидное превращение (1), в результате которого образуется феррит (в составе перлита) с содержанием углерода 0,02 %. При охлаждении содержание углерода в феррите уменьшается до 0,006 % и образуется цементит третичный (Цш). Изменение фазового состава эвтектического сплава происходит по схеме:

Hi ■¹И?°^С> л (А + Ki)

4,3 У.С 2,14ХС б , 67ХС

^>Ц11

А ■?.27°С> _п (_ф + ц„)

О, 8ХС О, 02 ХС 6,67ХС

| -> Цш

V

Ф

О,ООбХС

При комнатной температуре в состав ледебурита будут входить фазы: феррит, цементит первичный, вторичный и третичный; или ледебурит состоит из перлита и цементита первичного (П+Ц). Из-за небольшого количества цементит вторичный и третичный на этих участках диаграммы не приводится.

В доэвтектических и заэвтектических сплавах процесс кристаллизации начинается с образования соответственно фазы бедной (А) или богатой углеродом (Ц1). При этом по мере охлаждения в жидкой фазе концентрация углерода приближается к эвтектической (4,3 %) и далее идет по схеме (3).

Фазовые превращения в сталях отличаются от фазовых превращений в чугунах тем, что в них не образуется ледебурит. Жидкая фаза при кристаллизации образует аустенит. В эвтектоидной стали (0,8 % С) при температуре 727 °С образуется перлит (1), а при дальнейшем охлаждении - цементит третичный. В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях идет образование соответственно феррита (линия QS) и цементита вторичного (линия SE). В результате этого содержание углерода в аустените приближается к эвтектоидной концентрации и идет эвтектоидное превращение (линия PSK). При дальнейшем охлаждении сплавов образуется цементит третичный.