Задание № 1. Вычертите диаграмму состояния «железо-цементит» строго в масштабе, укажите структурные составляющие и фазы во всех областях диаграммы

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 3,8% 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 = 1100⁰С. Какова микроструктура этого сплава при комнатной температуре и как этот сплав называется? Зарисуйте схематически микроструктуру.

На рисунке 2.1 приведена диаграмма состояния «железо – цементит» с указанием структурных составляющих и фаз во всех областях. Она представляет собой двухкомпонентную систему, графически отображающую состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от температуры (ось ординат) и концентрации (ось абсцисс). Каждая точка оси концентрации показывает химический состав конкретного сплава, а каждая точка вертикали, восстановленной к этой точке, характеризует состояние сплава в процессе изменения его температуры. С учетом постоянства давления в реальных металлургических процессах, данная система подчиняется правилу фаз:

С = К – Ф + 1,

где С – число степеней свободы, т.е. количество внутренних и внешних факторов, которые можно менять без изменения числа фаз;

К – число компонентов системы;

Ф – число фаз в рассматриваемых условиях равновесия.

Проведем на диаграмме линию заданного сплава с 3,8% С (остальное – Fe) и проанализируем процессы, происходящие в нем при охлаждении. Для удобства оси температур диаграммы и кривой охлаждения заданного сплава совмещены. Точки пересечения вертикали с линиями диаграммы являются критическими для данного сплава.

В момент начала охлаждения сплав находится в состоянии жидкого раствора выше линии ликвидуса АВСД (точка 1). Участок кривой охлаждения 1-2 соответствует числу степеней свободы: С = 2-1+1=2 и свидетельствует о возможности изменения двух факторов без нарушения фазового состояния. При охлаждении сплава ниже температуры 1220⁰ С (температура точки 2), находящейся по линии ликвидуса, из жидкого раствора начинает выделять аустенит, т.е. начинается процесс кристаллизации С=2-2+1=1. Выделение скрытой теплоты кристаллизации замедляет процесс (участок 2-3 на кривой охлаждения сплава). При этом содержание углерода в жидкости будет изменяться по линии ВС, а в аустените – по линии IЕ:

Ж_т2 → А_Е + Ж_с

3,8% С 2,14% С 4,3% С.

Рисунок 2.1 – Диаграмма состояния «железо-цементит» и кривая охлаждения заданного сплава (3,8% С)

Процесс кристаллизации завершится при температуре 1147⁰С (температура точки 3), и в равновесии на линии эвтектических превращений ЕСF будут одновременно находиться 3 фазы: жидкий раствор, аустенит (твердый γ-раствор) и цементит. Эвтектическое превращение произойдет при постоянной температуре по реакции:

Ж_с → А_Е + Ц_F

4,3% С 2,14% С 6,67% С

Образующаяся эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом. С=2-3+1=0. Система нонвариантна, т.е. без нарушения числа фаз не может изменяться ни один фактор, происходит при постоянной температуре. На кривой охлаждения горизонтальный участок 3-3^/.

Далее сплав охлаждается в двухфазной области (аустенит и цементит):

С=2-2+1=1. Охлаждение замедленное в связи с выделением из аустенита цементита вторичного (участок 3^/-4). Аустенит будет обедняться углеродом от 2,14% до 0,8% С (линия ЕS):

А_Е + Ц_F → А_С + Ц_К

2,14% С 6,67% С 0,8% С 6,67% С.

Состав цементита, как химического соединения, при этом не изменяется. Когда сплав достигнет температуры 727⁰ С* выделение цементита вторичного будет завершено. Дальнейшее охлаждение вызовет эвтектоидное превращение аустенита в перлит. Процесс происходит при постоянной температуре с участием трех фаз: С=2-3+1=0.

А_S → Ф_Р + Ц_К,

0,8% С 0,025% С 6,67% С.

Перлит является эвтектоидной механической смесью двух фаз: феррита и цементита. Превращение на кривой охлаждения иллюстрирует участок 4-4^/. После завершения эвтектоидного превращения сплав продолжает охлаждаться в двухфазной области феррита и цементита. Охлаждение происходит также с небольшим замедлением ввиду выделения из феррита избыточной фазы – цементита третичного: С=2-2+1=1. При этом химический состав феррита будет изменяться по кривой РQ.

Ф_Р + Ц_К → Ф_Q + Ц_L

0,025% С 6,67% С 0,0025% С 6,67% С.

Определяем химический состав фаз и их массу при заданной температуре 1100⁰С с помощью горизонтальной линии (коноды). Точки пересечения коноды с линиями диаграммы являются исходными для нужных определений. Проекция точки б на ось концентраций показывает, что в аустените при температуре 1100⁰С в сплаве содержится ≈ 2% С (остальное – железо), а в цементите (проекция точки в) содержится 6,67% С (остальное – железо). Масса каждой фазы при температуре 1100⁰ С, из расчета 100% сплава (q) определяется по «правилу фаз» и составит:

________________________________________________________________

* Для упрощения мы пренебрегаем температурным гистерезисом при охлаждении. В действительности температура эвтектических и эвтектоидных превращений будет несколько ниже.

.

Сплав, содержащий 3,8% С, называется доэвтектическим белым чугуном, структура его при комнатной температуре состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита. Ледебурит состоит из цементной основы и перлита. Цементит вторичный сливается с цементитной основой ледебурита. Микроструктура заданного сплава схематически выглядит так (рисунок 2.2):

Рисунок 2.2 – Схема структуры заданного сплава