Диаграмма состояний сплавов железо – углерод

 

 

Промышленные сплавы железа с углеродом содержат до 5 % С, поэтому рассматривается участок диаграммы состояний от железа до цементита. На диаграмме сплошные линии соответствуют системе сплавов Fe-Fe₃C (цементит), пунктирные - системе сплавов Fe - С (графит). Диаграмма железо - цементит является метастабильной, а диаграмма железо - графит - стабильной.

Превращения в сталях при нагреве и охлаждении обычно происходят в соответствии с метастабильной диаграммой, а превращения в чугунах могут протекать как по метастабильной, так и по стабильной диаграмме.

На диаграмме три линии (ABC, AHJE и GS) являются общими. Остальные сплошные и пунктирные линии не совпадают потому, что при всех температурах предел растворимости графита в железе меньше, чем цементита. Эвтектическая и эвтектоидная температуры у системы Fe - С выше, чем у системы Fe – Fe₃C.

При анализе диаграммы состояний Fe – Fe₃C  необходимо:

1. Вычертить диаграмму состояний Fe – Fe₃C с применением общепринятых буквенных обозначений и с указанием на ней всех фаз и структурных составляющих;

2. Объяснить характер превращений в системе при нагреве и охлаждении для каждой линии диаграммы;

 3. Указать концентрационную границу, разделяющую сталь и чугун, и объяснить, в чем состоит главное структурное различие стали и чугуна;

4. Построить с применением правила фаз кривые охлаждения (или нагрева) для некоторых сталей и чугунов, содержащих 0,6; 0,8; 1,2; 3,0; 4,3; 5,0 % С, и объяснить происходящие при этом превращения;

5. Для двух сплавов I и II с содержанием углерода, указанным в табл. 1, определить относительные количества фаз и структурных составляющих при комнатной температуре;

6. Определить состав железоуглеродистого сплава, т.е. концентрацию углерода в нем по процентной доле площади, занимаемой на шлифе одной из структурных составляющих.

Определить тип железоуглеродистого сплава. Объяснить характер превращений в нем при охлаждении. Изобразить микроструктуру сплава, обозначив на ней структурные составляющие (варианты 1-10).

Таблица 1

 

Варианты заданий

Вариант 1

При изучении микроструктуры образца железоуглеродистого сплава, кристаллизующегося в метастабильной системе, было установлено, что приблизительно 25 % площади шлифа занимает структурно-свободный феррит.

Определить, к какому типу железоуглеродистых сплавов относится образец. Рассчитать концентрацию углерода в сплаве. Дать описание превращений, совершающихся в нем при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру сплава, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 2

При изучении микроструктуры образца железоуглеродистого сплава, кристаллизующегося в метастабильной системе, было установлено, что приблизительно 30 % площади шлифа занимает структурно-свободный цементит

Определить, к какому типу железоуглеродистых сплавов относится образец. Рассчитать концентрацию углерода в сплаве. Дать описание превращений, совершающихся в нем при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру сплава, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 3

При изучении микроструктуры белого чугуна было установлено, что приблизительно 80 % площади шлифа занимает структурная составляющая - ледебурит, остальная часть шлифа занята цементитом.

Указать, к какому классу белых чугунов относится этот чугун по структуре, и рассчитать концентрацию углерода в нем. Дать описание превращений, совершающихся в данном чугуне при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру чугуна, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 4

При изучении микроструктуры стали, кристаллизующейся в метастабильной системе, было установлено, что приблизительно 30 % площади шлифа занимает перлит.

Указать, к какому классу углеродистых сталей относится эта сталь по структуре, и рассчитать концентрацию углерода в ней. Дать описание превращений, совершающихся в данной стали при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру данной стали, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 5

При изучении микроструктуры стали, кристаллизующейся в метастабильной системе, было установлено, что приблизительно 10 % площади шлифа занимает структурно-свободный цементит.

Указать, к какому классу углеродистых сталей относится эта сталь по структуре, и рассчитать концентрацию углерода в ней. Дать описание превращений, совершающихся в данной стали при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру стали, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 6

При изучении микроструктуры образца железоуглеродистого сплава, кристаллизующегося в метастабильной системе, было установлено, что приблизительно 40 % площади шлифа занимает структурная составляющая - перлит.

Разъяснить, к каким двум типам железоуглеродистых сплавов может относиться исследуемый образец, и рассчитать концентрацию углерода в сплаве с меньшим содержанием этого элемента. Для второго сплава дать описание превращений при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Указать, какие структурные составляющие, наряду с перлитом, содержатся в структуре обоих возможных сплавов, и изобразить схематически микроструктуру одного из них. По какому структурному признаку эти сплавы можно легко отличить друг от друга?

 

Вариант 7

При изучении микроструктуры образца железоуглеродистого сплава было установлено, что приблизительно 20 % площади шлифа занимает структурная составляющая - ледебурит, остальную часть занимает слаботравящаяся однородная структурная составляющая очень высокой твердости.

Разъяснить, к какому виду железоуглеродистых сплавов относится образец, и рассчитать концентрацию углерода в нем. Дать описание превращений, совершающихся в этом сплаве при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру сплава, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 8

При изучении микроструктуры железоуглеродистого сплава в отожженном состоянии было установлено, что преобладающую часть площади шлифа (более 99 %) занимает светлая фаза низкой твердости, имеющая зернистое строение. По границам зерен этой фазы располагаются в небольших количествах включения второй фазы высокой твердости.

Разъяснить, к какому типу железоуглеродистых сплавов относится образец, и указать приблизительную концентрацию углерода в нем. Дать описание превращений, совершающихся в сплаве при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру сплава, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

Вариант 9

При изучении микроструктуры образца железоуглеродистого сплава в отожженном состоянии было установлено, что преобладающую часть площади шлифа занимает перлит. По границам зерен перлита располагается светлая фаза высокой твердости, занимающая приблизительно 7 - 8 % площади шлифа.

Разъяснить, к какому виду железоуглеродистых сплавов относится образец, и рассчитать приближенно концентрацию углерода в нем. Дать описание превращений, совершающихся в этом сплаве при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру сплава, обозначить на ней структурные составляющие и дать им характеристику.

 

Вариант 10

При изучении микроструктуры образца железоуглеродистого сплава в отожженном состоянии было установлено, что приблизительно 30 % площади шлифа занимает перлит. Остальную часть структуры занимает светлая фаза невысокой твердости, имеющая зернистое строение.

Разъяснить, к какому виду железоуглеродистых сплавов относится образец, и рассчитать концентрацию углерода в нем. Дать описание превращений, совершающихся в сплаве при медленном охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Изобразить схематически микроструктуру сплава, обозначить на ней структурные составляющие и дать их характеристику.

 

                         

 

Применение правила фаз

Рассмотрим построение кривых охлаждения с помощью правила фаз (с = к - 1 + ф) для ряда сплавов железа с углеродом. При кристаллизации сплава с 4,3 % С число фаз равно трем: жидкий сплав состава точки С, цементит первичный и аустенит состава точки Е:

Ж_C → А_Е + Ц_І

Число степеней свободы с = 2 + 1 - 3 = 0, следовательно, здесь на кривой охлаждения появляется температурная остановка (1147 °С). Таким же образом при образовании эвтектоида (перлита) число фаз также будет равно трем: аустенит, цементит и феррит (α-твердый раствор):

А_0,8%C → Ф_α + Ц_І

Поэтому и здесь число степеней свободы с = 2+ 1-3 = 0, следовательно, на кривой охлаждения обнаруживается температурная остановка (727 °С).

У сплавов, содержащих от 0,1 до 0,5 % С, в результате перитектического превращения

Ж_В + Ф_δН →   А _І

в равновесии находится три фазы: жидкая фаза состава точки В высокотемпературный феррит (δ-твердый раствор) и аустенит состава точки J. Число степеней свободы в этом случае с = 2+1-3 = 0 и на кривой охлаждения появляется температурная остановка (1485 °С).

Во всех остальных случаях при выделении из жидкого сплава аустенита или первичного цементита, а также из аустенита- феррита или вторичного цементита число фаз будет равно двум, а с = 2 + 1 - 2 = 1, т.е. процесс протекает с изменением температуры и на кривых охлаждения обнаруживаются наклонные участки. Аналогично и участки на кривых охлаждения сплавов, состоящим из жидкой фазы или аустенита, где с = 2 + 1 — 1=2, идут наклонно.

 

Применение правила отрезков

1. Допустим, в микроструктуре заэвтектического чугуна площадь цементита занимает 10 % от общей площади шлифа. Тогда состав чугуна определяется следующим образом.

Обозначая искомую концентрацию углерода в чугуне через X и применив правило отрезков к заэвтектической части диаграммы железо - цементит, можно написать соотношение

Откуда

 

Х = 0,1(6,7- 4,3) + 4,3 = 4,54 % С.

Аналогично решается задача определения концентрации и применительно к другим сплавам.

2. Определим относительное количество цементита и аустенита в сплаве с содержанием 4,3 % С при 1147 °С. Через заданную точку С диаграммы сплава при данной температуре проводится горизонталь. Это будет линия ECF. Тогда относительное количество цементита равно

 

Ц = (4,3 -2,14)/ (6,67 - 2,14) = 0,48 (или 48 %).

 

Отсюда относительное количество аустенита составит 52 %.

3. Найдем, чему равно относительное количество перлита в структуре сплава с 0,5 % С при комнатной температуре.

Горизонталью, проходящей через точку исходного состава сплава, будет ось концентраций. Точки пересечения ее с линиями диаграммы соответствуют: 0 % перлита и 100 % феррита; 100 % перлита и 0 % феррита.

Тогда

 

П = (0,5 - 0) / (0,8 - 0) = 0,5 / 0,8 = 0,625 (или 62,5 %).