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 0,25% 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 = 750⁰С. Какова микроструктура этого сплава при комнатной температуре и как этот сплав называется? Зарисуйте схематически микроструктуру.

Для определения фазового состава и структуры сплавов в зависимости от различных переменных факторов, пользуются диаграммами состояния.

Диаграмма состояния «железо – карбид железа» является гетерогенной системой фазового равновесия железоуглеродистых сплавов. Диаграмма является двухкомпонентной (Fe и Fe₃C) и представляет зависимость состояния железоуглеродистых сплавов от температуры и концентрации. На диаграмме (рисунок 3.1) указаны все фазовые области и структуры, находящиеся в равновесии, так как получены при очень медленном охлаждении. Заданный сплав представлен вертикалью к оси концентраций с указанием содержания углерода 0,25%. Критическими точками для данного сплава являются ординаты точек пересечения линии сплава с линиями равновесия на диаграмме. Выполним анализ превращений в заданном сплаве с построением кривой охлаждения (см. рисунок 3.1, справа). При этом воспользуемся правилом фаз, т.е. математической зависимостью между количеством изменяемых внешних и внутренних фактором, числом фаз и числом компонентов. Для диаграммы состояния Fe – Fe₃C правило фаз имеет вид: С=К-Ф+1,

где С – число степеней свободы, т.е. количество внешних и внутренних факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз. В данной системе это температура и концентрация;

К – число компонентов. Их два: железо и цементит;

Ф – число фаз. Всего в системе их четыре: жидкий раствор феррит, аустенит и цементит.

Если К и Ф характеризуют концентрационный фактор, то 1 характеризует фактор температурный.

Кривая охлаждения по температурной оси (ординат) совмещается с диаграммой Fe – Fe₃C. В интервале температур 1600-1530⁰С сплав находится в жидком состоянии (С=2-1+1=2), изменяться могут два переменных фактора – температура и концентрация. Жидкий раствор будет оставаться жидкой фазой, пока не начнется охлаждение ниже температуры t₁ =1530⁰С (отрезок кривой охлаждения 1-2). Далее, на отрезке 2-3 происходит процесс кристаллизации с образованием кристаллов феррита. При этом выделяется скрытая теплота кристаллизации, что замедляет охлаждение и делает участок кривой охлаждения (2-3) более пологим

Рисунок 3.1 – Диаграмма состояния «железо-цементит» и кривая охлаждения заданного сплава (0,25% С)

(С=2-2+1=1). В данной области (НАВ) можно изменять только температуру. Кристаллизация сплава в момент завершения:

Ж_В → Ф_δH + Ж_В

0,25%С 0,1%С 0,5%С

Этот процесс завершается при температуре t₂ = 1500⁰С (точка 3), т.е. на линии перитектических превращений, когда из двух фаз (образовавшегося феррита и оставшейся жидкой фазы) образуется одна фаза (аустенит), часть жидкой фазы в сплаве сохранится:

Ф_δH + Ж_В → А_I + Ж_В

0,1%С 0,5%С 0,16%С 0,5%С

Температура постоянная (участок 3-3^/), число степеней свободы С=2-3+1=0. При дальнейшем охлаждении до температуры t₃ =1485⁰С имеет место процесс образования аустенита уже из одной только жидкой фазы, оставшейся после завершения перитектических превращений:

Ж_В + А_I → А т.4

0,5%С 0,16%С 0,25%С,

С=2-2+1=1 (участок 3-4). Кривая охлаждения на участке 3-4 также проходит с замедлением, аналогично участку 2-3. Процесс кристаллизации закончится по достижении температуры t₃ =1485⁰С, соответствующей критической точке сплава с 0,25%С на линии солидус IE. После полного затвердевания сплав приобретает однофазную аустенитную структуру. При охлаждении сплава ниже температуры 1485⁰С (точка 4) до температуры t₄ =840⁰С (точка 5) в однофазной аустенитной области превращений не происходит (С=2-2+1=2). Могут изменяться два фактора: температура и концентрация, без нарушения фазового равновесия (участок 4-5). Охлаждение ниже температуры 840⁰С, при пересечении линии GS, вызывает начало выделения избыточного феррита (α–Fe) из аустенита, при этом концентрация фаз (аустенита и феррита) в процессе охлаждения в двухфазной области РGS меняется (по линиям GS и GР соответственно). При этом С=2-2+1=1 и – более пологий участок 5-6. Ниже линии РSК (т.е. температуры t₅ =727⁰С) заданный сплав претерпевает эвтектоидное превращение аустенита в перлит.

А_S → Ф_Р + Ц_К

0,8%С 0,025%С 6,67%С.

Число степеней свободы С=2-3+1=0, т.е. температура постоянная (участок 6-6^/), из одной фазы (аустенита) образуются две новые (феррит и цементит), эвтектоидная механическая смесь которых является двухфазной структурой и называется перлитом. Охлаждение сплава ниже температуры 727⁰С (точка 6) происходит уже в двухфазной области, С=2-2+1=1, замедленное, изменяться может один фактор (температура). Этот процесс практически завершается уже при температуре 600⁰С, поэтому наблюдать процесс полного охлаждения до комнатной температуры нет необходимости.

Химический состав и их массу в процентах ко всему сплаву при температуре 750⁰С определяем, используя коноду, т.е. горизонталь через область РGS при заданной температуре. При этом проекция точки б на линию концентрации укажет содержание углерода в феррите (≈ 0,02% С), а проекция точки в – содержание углерода в аустените (≈ 0,6% С). Остальное – железо. Массу фаз q_Ф и q_А, т.е. феррита и аустенита определяем по правилу отрезков. Тогда:

; .

Принимая массу сплава за 100% (q) и подставляя числовые значения отрезков, получим:

,

.

Следовательно, при температуре 750⁰С в заданном сплаве, содержащем 0,25% С, существуют две фазы: феррит, которого 60,3%, и аустенит, которого 39,7%.

Железоуглеродистый сплав с содержанием 0,25% С называется доэвтектоидной сталью. При комнатной температуре он имеет ферритно-перлитную структуру (рисунок 3.2), перлита на микрошлифе ≈ 30% ( ):

Рисунок 3.2 – Структура заданного сплава при комнатной температуре