Задание №1

Вычертите диаграмму состояния «железо-цементит» строго в масштабе, укажите структурные составляющие и фазы во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения с применением правила фаз для сплава, содержащего C процентов углерода, объясните физическую природу хода этой кривой.

Для заданного сплава определите химический состав фаз и их массу в процентах ко всему сплаву при температуре t. Какова микроструктура этого сплава при комнатной температуре и как этот сплав называется? Зарисуйте схематически микроструктуру.

Числовые значения С и t принимаются в соответствии с вариантом по таблице 1 методических указаний [1]. В данном примере 1,1% Cu и 730⁰С, соответственно.

Решение. Диаграмма Fe-Fe₃C, представленная на рисунке 1.1, является двухкомпонентной системой равновесного состояния железоуглеродистых сплавов. Показанные на диаграмме фазы и структуры, образованные из этих фаз, позволяют определять для любого сплава системы фазовый и химический состав, получаемые структуры, а также анализировать все процессы, происходящие в сплаве в ходе его охлаждения или нагрева [3].

Для решения поставленных задач проводим линию сплава – вертикаль с координатой по оси абсцисс, соответствующей заданному сплаву, т.е. 1,10% С. Точки пересечения линии сплава с линиями равновесного состояния на диаграмме являются критическими, т.к. соответствуют температурам фазовых превращений в сплаве. При построении кривой охлаждения воспользуемся уравнением правила фаз Гиббса (математическим выражением условия равновесия системы):

С = К – Ф + 1,

где С – число степеней свободы (переменных факторов);

К – число компонентов, т.е. веществ, образующих систему;

Ф – число фаз, существующих при определенных условиях.

По температурной оси кривая охлаждения совмещается с такой же осью диаграммы Fe-Fe₃C.

В интервале температур ≈ 1600…1460⁰С сплав находится в жидком состоянии, железо и углерод полностью растворимы, С = 2 – 1 + 1 = 2. То есть при охлаждении сплава до 1460⁰С устойчивой фазой является жидкость, можно менять два переменных фактора (температуру и концентрацию) и это не изменит числа фаз (участок 1-2). Как только сплав охладится ниже температуры 1460⁰С (точка 2), начнется кристаллизация сплава: из жидкости образуются кристаллы аустенита (γ-железа). Процесс кристаллизации будет продолжаться до температуры 1340⁰С (точка 3). С=2-2+1=1, может изменяться только один фактор (температура). В процессе кристаллизации выделяется скрытая теплота, процесс несколько

Рисунок 1.1 – Диаграмма состояния «железо-цементит» и кривая охлаждения заданного сплава (1,1% С)

замедляется во времени, что отражается на кривой охлаждения: участок 2-3 более пологий. Содержание углерода в образующемся аустените и жидкости при прохождении температурного интервала 1460…1340⁰С будет изменяться: аустенита – по линии солидуса IЕ, а жидкости – по линии ликвидуса ВС. Процесс первичной кристаллизации завершится при температуре 1340⁰С (точка 3) и структура будет состоять из дендритов аустенита. При охлаждении сплава ниже температуры 1340⁰С образовавшийся аустенит (1,10% С) будет охлаждаться без изменения фазового состава: С=2-1+1=2, т.е. число степеней свободы равно двум, изменяться могут два фактора: температура и концентрация. Такое охлаждение аустенита закончится при температуре 860⁰ С (точка 4), ниже которой из аустенита, вследствие понижения растворимости его в γ-железе, начнет выделяться цементит. С=2-2+1=1. Появление второй фазы снова сократит число степеней свободы и замедлит процесс охлаждения (участок 4-5). При охлаждении до температуры 727⁰С (точка 5) содержание углерода в аустените уменьшается по линии ЕS от 1,10%С до 0,8% С. При охлаждении сплава ниже 727⁰С произойдет эвтектоидное превращение оставшегося аустенита в эвтектоидную механическую смесь феррита и цементита, называемую перлитом:

А_s → Ф_р + Ц_к

0,8% С 0,025% С 6,67% С

Одновременное присутствие трех фаз делает систему при эвтектоидных превращениях нонвариантной, С=2-3+1=0, на кривой охлаждения горизонтальный участок 5-5^/. После завершения процесса, ниже линии РSК сплав состоит из двух фаз – феррита и цементита, при дальнейшем охлаждении С=2-2+1=1, т.е. может изменяться один переменный фактор (температура). При комнатной температуре эти две фазы составляют структуру сплава: перлит в виде пластинчатых зерен, окруженных цементитной сеткой.

Для определения химического состава фаз и их массы (в процентах по отношению к массе сплава) необходимо провести коноду при заданной температуре 730⁰С. Тогда точки пересечения коноды с линиями диаграммы при проектировании их на ось концентрации покажут химический состав соответствующих фаз. Температуры 730 и 727⁰С очень близки, для упрощения расчетов примем за точки пересечения т. S и т. К. Тогда количество углерода в аустените чуть более 0,8%, количество углерода в цементите – 6,67%, остальное в каждой из этих фаз – железо. При массе сплава q (принимаем 100%):

Масса аустенита:

.

Масса цементита:

.

Сплав, содержащий 1,10% С, называется заэвтектоидной сталью. Структура его представлена на схематическом изображении микрошлифа (рисунок 1.2):

Рисунок 1.2 – Схема структуры заданного сплава при комнатной температуре