Анализ диаграммы фазового равновесия сплавов системы «железо - цементит»

 

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – составляют до 90% металлофонда в экономике России, являясь основными конструкционными материалами. Фазовый состав и структура промышленных сплавов, полученных при медленном охлажде­нии до комнатной температуры, хорошо согласуются с диаграм­мой состояния «железо – цементит», что предопределило ее широкое использование для выбора оптимальных режимов про­изводства и термообработки железоуглеродистых сплавов на протяжении почти полутора веков (Д.К. Чернов, 1868).

Цель практической работы – изучение диаграммы состояния «железо – цементит», анализ превращений, происходящих в сплавах этой системы при образовании фаз и структур, и опре­деление состава и весового количества фаз при заданных темпе­ратурах.

Основы теории

Общие сведения

Основными компонентами сталей и чугунов являются железо и углерод. Железо – металл серого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Температура плавления железа 1539°С. Же­лезо имеет две полиморфные модификации: α -железо, существую­щее при температуре ниже 910°С; γ-железо, существующее в ин­тервале температур 910– 1392°С; оно парамагнитно.

Кристаллическая решетка α-железа объемно-центрированная кубическая с периодом решетки 0,286 нм. До температуры 768°С железо ферромагнитно. Температуру 768°С, соответствующую переходу α-железа из ферромагнитного состояния в парамагнит­ное, называют точкой Кюри. Кристаллическая решетка γ-железа гранецентрированная кубическая.

Углерод – неметаллический элемент, атомный номер 6, плот­ность 2,5 г/см³, температура плавления 3500°С. Углерод раство­рим в железе в жидком и твердом состоянии, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высоко­углеродистых сплавах – в виде графита.

Рис. 9. Диаграмма состояния «железо – углерод»: 1 – метастабильная

система; 2 – стабильная система

 

Углерод может находиться в равновесии с жидкой фазой и с твердыми растворами на основе железа в виде цементита (мета-стабильное равновесие) или графита (стабильное равновесие) в зави­симости от внешних условий. Это обстоятельство определяет два варианта диаграммы состояния «железо – углерод» (рис.9). Большее практическое значение имеет метастабильная диаграм­ма состояния. С помощью этой диаграммы объясняют не только превращения, происходящие в сталях и белых чугунах. Она яв­ляется основой для выбора оптимальных режимов термообра­ботки железоуглеродистых сплавов.

Наряду с основными компонентами в этих сплавах имеются постоянные технологические примеси, которые могут оказывать существенное влияние на их свойства и формирование струк­туры.

В системе Fe – Fe₃C различают следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы – феррит и аустенит, а также цемен­тит (в том числе первичный, вторичный и третичный).

К структурным составляющим в системе Fe – Fe₃C, наряду с перечисленными выше фазами, относятся ледебурит и перлит.

1.2. Анализ фазового состава диаграммы состояния «железо – цементит»

Рассмотрим области диаграммы состояния «железо – цемен­тит», которые отвечают равновесным состояниям сплавов систе­мы, и основные фазовые превращения.

Однофазные области диаграммы состояния Fe – Fe₃C:

• жидкая фаза L – расплавы выше линии ликвидуса ABCD;

• феррит Ф: высокотемпературная область – левее линии AHN; низкотемпературная область – левее линии GPQ;

• аустенит А – область ограничена линией NJESG;

• цементит Ц– вертикальная линия DFKL.

В двухфазных областях в равновесии находятся:

• жидкий раствор и кристаллы феррита (АВН);

• кристаллы феррита и аустенита (HJN и GSP);

• жидкий раствор и кристаллы аустенита (JBCE);

• жидкий раствор и цементит (CDF);

• кристаллы аустенита и цементита (SECFK);

• кристаллы феррита и цементита (QPSKL).

Трехфазным равновесным состояниям сплавов отвечают гори­зонтальные линии на диаграмме состояния:

• при t = 1499°C (линия HJB) в сплавах с концентрацией уг­лерода от 0,1 до 0,51% происходит перитектическое превраще­ние в результате взаимодействия кристаллов феррита с жидким раствором:

L_(B)⁺ Ф_(Н) → A_(J) - аустенит; (1)

• при t– 1147°С (линия ECF) в сплавах с концентрацией уг­лерода от 2,14 до 6,67% происходит эвтектическое превращение:

L_(c) → A_(E) + Ц – ледебурит; (2)

• при t = 727°С (линия PSK) в сплавах системы с концентраци­ей углерода более 0,02% происходит эвтектоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на дисперсную механичес­кую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита:

A_{S) → Ф_(р)+ Ц – перлит. (3)

Составы и количества фаз в системе «железо – цементит» можно определить на коноде с помощью правила отрезков. Структурный качественный и количественный состав сплавов определяется также с помощью коноды, однако ее концы дол­жны быть ограничены линиями соответствующих структурных составляющих.

 

1.3. Анализ структурного состава

Формирование структур в сплавах можно изучить, анализи­руя по диаграмме процессы, происходящие в них при охлажде­нии или нагревании. Рассмотрим области диаграммы, которые отвечают равновесным состояниям сплавов системы.

В процессе эвтектического превращения жидкий раствор зат­вердевает в виде ледебурита. Во всех сплавах системы с концен­трацией углерода более 0,02% при температуре 727°С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение, причиной которого явля­ется полиморфное превращение Fe → Fe_α В результате эвтектоидного превращения происходит распад аустенита, приводящий к образованию перлита. Цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах. Цементит, выделяющийся за счет изменения растворимости при пониже­нии температуры из жидкой фазы, называют первичным (Ц₁), из аустенита – вторичным (Ц₂), а из феррита – третичным (Ц₃).

Проследим за формированием структуры сталей с содержа­нием углерода 1,5% при их медленном охлаждении, начиная с температуры 1600°С. Критические точки, соответствующие тем­пературам превращений, показаны на фигуративных линиях рис. 10.

 

Рис. 10. Схема для изучения превращений, происходящих в стали с содер­жанием углерода 1,5% при медленном охлаждении: а – диаграмма состояния; б – кривая кристаллизации сплава

Схема структур и состав фаз, а также структурных составляю­щих для рассматриваемого случая приведены в таблице 2.

До температуры 1450°С (точка 1) заэвтектоидная сталь с 1,5% углерода находится в жидком состоянии. При t= 1450°C начинается процесс кристаллизации. В интервале температур 1450 – 1250°С (точки 2, 3) в сплаве сосуществуют две фазы: жидкий раствор и аустенит. В интервале температур 1250 – 950°С (точки 3, 4) сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений; состав спла­ва представлен аустенитом. При охлаждении сплава ниже 950°С (точка 4) аустенит с концентрацией углерода 1,5% становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диф­фундирует к их границам и здесь выделяется в виде цементита вторичного.

Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 950 до 727°С (точки 4, 5) изменяется согласно линии ES от точки 4 к точке S:

Таблица 2.

Схема структур и состав фаз, а также структурных составляющих для структурного анализа диаграммы состояния Fe – Fe3C (заэвтектоидная сталь; 1,5% С)

Номер области	Схема структуры	Состав фаз и структурных составляющих
1-2		t > 1450°С L = 100% (жидкий раствор)
2-3		T = 1450-1250°С L + A (жидкий раствор + аустенит)
3-4		t = 1250-950^оС А = 100% (аустенит)
4-5		t = 950-727^оС А + ЦII (аустенит + цементит вторичный)
5-6		t = 727-600°С П + ЦII + ЦIII (перлит + цементит вторичный + цементит третичный)
Примечание. Цементит третичный визуально, как правило, не идентифицируется

При температуре 727°С (точка 5 ) в сплаве происходит эвтектоидное превращение, в результате которого образуется перлит. Ниже температуры 727°С растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного (Ц_III) (точ­ки 5, 6).

В качестве примера рассмотрим расчет весового количества структурных составляющих и фаз с помощью правила отрезков в заэвтектоидной стали с 1,5% углерода при 600°С.

Содержания структурных составляющих определяются после­довательно по мере их образования в процессе охлаждения сплава с применением правила отрезков для двух сосуществую­щих фаз или структурных составляющих по коноде abcbdef. Ве­личину отрезков будем измерять в процентах углерода. Считаем, что концентрация в точке а 0,01% углерода.

Определим фазовый состав в точке 6:

Количество структурных составляющих в точке 6:

Учитывая некоторые особенности в использовании коноды для области диаграммы, где находятся три структурные состав­ляющие, рассмотрим расчет для такого случая на примере точки 7 (содержание углерода 4% при температуре 600°С):

Практическая часть

2.1. Порядок выполнения анализа диаграммы состояния «железо – цементит»

2.1.1.Вычертить диаграмму состояния Fe – Fe₃C с указанием температур превращений и концентраций углерода для харак­терных точек.

2.1.2.Указать фазы и структурные составляющие в различных областях диаграммы.

2.1.3.Определить составы и весовое количество (%) фаз и структурных составляющих при температурах для варианта, ука­занного преподавателем. При выполнении расчетных задач в перитектической области диаграммы использовать данные по фрагменту этой диаграммы, представленные на рис. 11.

 

Рис. 11. Фрагмент (высокотемпературная область) диаграммы «железо–углерод»

 

2.2. Примерный перечень вариантов индивидуальных заданий представлен в таблице 3.

 

Таблица 3.

Индивидуальные задания по анализу диаграммы состояния Fe-C.

Номер варианта	Содержание углерода, %	Темпера­тура, °С	Номер варианта	Содержание углерода, %	Темпера­тура, °С
	0,05			1,6
	0,12			2,3
	0,16			2,5
	0,20			2,8
	0,35			3,0
	0,40			3,5
	0,50			3,8
	0,60			4,2
	0,80			4,5
	1,0			5,0
	1,2			5,5
	1,4			6,0

 

3. Термины и определения.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. (предельная растворимость углерода в γ-железе – 2,14%).

Ледебурит – структурная составляющая (эвтектика) желе­зоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представ­ляющая собой механическую смесь кристаллов аустенита и це­ментита, образующихся в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67% углерода.

Перлит – структурная составляющая (эвтектоид) железоуг­леродистых сплавов, представляющая собой механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита, образующихся при распаде аустенита во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при t = 727°С.

Сталь – железоуглеродистый сплав, содержащий 0,02–2,14% углерода. По содержанию углерода и наличию структурных со­ставляющих различают: доэвтектоидные (углерода 0,02–0,83%), эвтектоидные (углерода 0,83%), заэвтектоидные (углерода 0,83– 2,14%) стали.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в а-железе. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный 5-феррит с предель­ной растворимостью углерода 0,1%.

Цементит Fe₃C – химическое соединение железа с углеро­дом (карбид железа) с концентрацией углерода 6,67%.

Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода. По содержанию углерода и наличию структурных составляющих различают чугуны: доэвтектические (углерода 2,14–4,3%), эвтектические (углерода 4,3%) и заэвтектические чугуны (углерода 4,3–6,67%).

Чугуны белые – чугуны, кристаллизующиеся подобно углеро­дистым сталям по метастабильной диаграмме состояния Fe – Fe₃C (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита; имеет белый блестящий излом).

Практическое занятие №3