Пояснения к выполнению второго задания
Наиболее часто второе задание контрольной работы формулируется следующим образом: Начертите диаграмму состояния «железо-цементит». Для сплава, содержащего N % С, постройте кривую охлаждения и опишите все структурно-фазовые превращения, происходящие в интервале температур от 1600 до 20 С. Используя правило отрезков, определите для указанного сплава соотношение фаз и их состав при температуре Т С.
Диаграмма состояния «железо-цементит» это графическое изображение, отражающее фазовый состав сплавов железа с углеродом при различной концентрации компонентов и различной температуре (рис. 1). Фазы и структурные составляющие данных сплавов на диаграмме обозначены буквами: Ф – феррит, А – аустенит, Ц – цементит, П – перлит, Л – ледебурит, Ж – жидкий расплав. Линии диаграммы ограничивают области существования различных фаз и отражают температуры фазовых превращений.
Кривая охлаждения представляет собой график зависимости температуры остывающего сплава от времени. Данную кривую для сплава произвольного состава можно построить на основе его диаграммы состояния. Для этого необходимо на диаграмме провести вертикальную линию, соответствующую хим. составу выбранного сплава. Точки пересечения этой линии с линиями диаграммы укажут критические температуры фазовых превращений в рассматриваемом сплаве. Полученные температуры используют для построения кривой охлаждения, выбрав произвольным масштаб оси времени.
Рассмотрим, в качестве примера, процедуру построения кривой охлаждения для сплава I, содержащего 1,5 % углерода. Этому сплаву на диаграмме соответствует вертикальная линия I, которая пересекает линии диаграммы в точках 1, 2, 3 и 4 (рис. 1).
1
2
3
4
f
5
6
s
7
Т, С
Ф
Ж
d
h
I
II
Ж+А
Ж+ЦI
t
k
А
Л+ЦI
А+Л+ЦII
П+Л+ЦII
А+ЦII
А+Ф
Ф+П
1,5
2,14
4,3
5,5
6,67
1200
727
1260
1147
911
1300
1539
% С
1392
Ф+Ж
Ф
Л+ЦI
П+ЦII
0,8
0,006
Рис. 1. Диаграмма состояния «железо-цементит»
Т, С
Т, С
1440
1240
980
727
1,5 %С
5,5 %С
Ж
Ж
1
3
4
5
6
7
Ж+А
1230
2
А
Ж+ЦI
1147
Ж Л
А+ЦII
Л+ЦI
727
А П
А П
П+ЦII
Л+ЦI
Время
Время
Рис. 2. Кривые охлаждения сплава I, содержащего 1,5 % углерода,
и сплава II, содержащего 5,5 % углерода.
Как видно из диаграммы при температурах выше точки 1 данный сплав находится в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, этот сплав начинает кристаллизоваться, т.е. в жидком расплаве появляются кристаллы аустенита. Процесс затвердевания сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации, что ведёт к уменьшению скорости охлаждения сплава. Это отражается на кривой охлаждения в виде её «перегиба» или уменьшения наклона в точке 1 (рис. 2). В точке 2 процесс кристаллизации завершается полным превращением жидкой фазы в зёрна аустенита и скорость охлаждения сплава становится близкой к первоначальной. В точке 3 начинается процесс выпадения кристаллов вторичного цементита из аустенита, что также сопровождается уменьшением скорости охлаждения сплава и, соответственно, уменьшением угла наклона кривой охлаждения. В точке 4 наблюдается эвтектоидная реакция, т.е. превращение аустенита в перлит – механическую смесь феррита с цементитом. Эвтектоидное превращение сопровождается выделением такого количества тепла, что температура сплава остаётся неизменной вплоть до полного завершения превращения. На кривой охлаждения это отражается в виде своеобразной «остановки» или «ступеньки» (рис.2). После завершения превращения сплав продолжает охлаждаться со скоростью, близкой к первоначальной.
На полученной кривой охлаждения укажем фазовый состав сплава I в различных температурных интервалах. Согласно диаграмме состояния при температурах выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии (Ж). В интервале температур от точки 1 до точки 2 сплав состоит из жидкой фазы и кристаллов аустенита (Ж+А). Ниже точки 2 – только из зёрен аустенита (А). В температурном интервале от точки 3 до точки 4 сплав состоит из зёрен аустенита и вторичного цементита (А+ЦII). При температуре, соответствующей точке 4, наблюдается эвтектоидное превращение (А П = Ф + Ц). Ниже точки 4, и вплоть до комнатных температур, сплав состоит из зёрен перлита и вторичного цементита (П+ЦII).
Кривая охлаждения для сплава II, содержащего 5,5 % углерода, выглядит несколько иначе (рис. 2). Кристаллизация этого сплава начинается в точке 5 с выпадения из жидкого расплава кристаллов первичного цементита, что сопровождается уменьшением скорости охлаждения сплава. В точке 6 наблюдается эвтектическое превращение жидкой фазы в ледебурит – механическую смесь аустенита с цементитом. Это превращение идет при постоянной температуре и на кривой охлаждения при данной температуре отмечается характерная «ступенька». В точке 7 наблюдается эвтектоидное превращение аустенита в перлит, которое также идёт при постоянной температуре. Фазовый состав рассматриваемого сплава на различных участках кривой охлаждения определяют по диаграмме состояния.
С помощью диаграмм состояния можно определять не только фазовый состав любых сплавов, находящихся при различных температурах, но также и соотношение фаз, и их химический состав. Для этого необходимо воспользоваться правилом отрезков.
Предположим необходимо определить химический состав и соотношение фаз в сплаве I, находящемся при температуре 1300 С. Для этого на диаграмме необходимо провести горизонтальную линию, соответствующую выбранной температуре. Эта линия пересекает линии диаграммы в точках d и f, а вертикальную линию, отражающую состав сплава, - в точке h (рис. 1). Как видно из диаграммы сплав I при рассматриваемой температуре состоит из кристаллов аустенита и жидкой фазы. Доля в сплаве кристаллов аустенита определяется отношением отрезка hf к отрезку df, а доля жидкой фазы - отношением dh к df. При этом содержание углерода в жидкой фазе определяется проекцией точки f на ось концентраций, а химический состав аустенита - проекцией точки d на эту же ось.
Сплав II при температуре 1200 С состоит из кристаллов цементита и жидкой фазы. Доля кристаллов цементита определяется отношением отрезков ts к tk, а доля жидкой фазы - отношением sk к tk (рис. 1). Хим. состав жидкости определяется проекцией точки t на ось концентраций, а хим. состав цементита остаётся постоянным – 6,67 % С.