Исследование структурных составляющих сплавов по диаграмме состояния железо-углерод

 

5.1. Учебные цели:

1. Отработать навыки решения практических задач по анализу структурных превращений в железоуглеродистых сплавах по диаграмме Fe-Fe₃C.

 

5.2. Учебные вопросы:

1. Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

2. Диаграмма Fe-Fe₃C.

3. Процессы в сплавах при охлаждении и нагреве.

 

5.3. Учебно-справочные материалы по строению и свойствам железоуглеродистых сплавов

 

Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

 

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод. Помимо их в сплавах всегда присутствуют различные примеси.

Железо (Fe) – металл серебристо-серого цвета. Его плотность ρ=7,86 г/см³, температура плавления t_пл =1539ºС. До 911ºС железо имеет кристаллическую решетку объёмно-центрированного куба (Fe_α), выше – гранецентрированного куба (Fe_γ). При температурах меньших 768ºС (точка Кюри) железо ферромагнитно, при больших – парамагнитно. Иногда парамагнитную модификацию α-железа обозначают Fe_β. Механические свойства железа зависят от содержания в нем примесей. Технически чистое железо имеет σ_в ≈ 250 МПа, δ ≈ 50%.

Углерод (С) – неметалл. Он неограниченно растворяется в жидком (расплавленном) железе и ограниченно в твердом, а также образует с ним химическое соединение Fe₃C (карбид железа). В материаловедении Fe₃C принято называть цементитом.

В равновесном состоянии в сплавах железа с углеродом могут образовываться фазы: феррит, аустенит и цементит.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_α с максимальной концентрацией С=0,02% при 727ºС и С=0,006% при 20ºС. Как и железо, он ферромагничен при t<768ºС. В сталях и чугунах феррит имеет максимальную концентрацию углерода, соответствующую температуре сплава. Его механические свойства близки к свойствам технически чистого железа: σ_в ≈ 250 МПа, НВ ≈1000 МПа, δ ≈ 30%.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ с максимальной концентрацией С = 2,14% при 1147ºС и С = 0,8% при 727ºС. Он парамагнитен, пластичен, легко деформируется, обладает невысокой прочностью. Конкретные показатели механических свойств аустенита зависят от концентрации в нем углерода и температуры.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом Fe₃C. Концентрация углерода в цементите строго определенная С = 6,67%. Он имеет сложную кристаллическую решетку, отличную от решеток других фаз, обладает высокой твердостью (HRC65–67) и хрупкостью (δ=0%). Цементит присутствует во всех железоуглеродистых сплавах с C > 0,006%. Различают три вида цементита: первичный (Ц₁) кристаллизующийся из жидкого расплава, вторичный (Ц₁₁), выделяющийся из аустенита при t<1147ºС и третичный, выделяющийся из феррита при t<727ºС. Все виды цементита имеют одинаковые строения и свойства.

Помимо однородных фаз (Ф, А и Ц) в железоуглеродных сплавах существуют и двухфазные структурные составляющие: перлит и ледебурит.

Перлит (эвтектоид) (П) – механическая смесь феррита и цементита, содержащая С = 0,8%, Он образуется в процессе охлаждения сплава при 727ºС из аустенита с С = 0,8%. Перлит ферромагнитен. Его механические свойства:

σ_в ≈ 900 МПа, НВ ≈ 2000 МПа, δ≈10%.

Перлит присутствует во всех сплавах с С > 0,006%.

Ледебурит (Л) (эвтектика) – может быть первичным (Л₁) и вторичным (Л₁₁). Л₁ механическая смесь аустенита и цементита концентрацией 4,3%. Он кристаллизуется из жидкого расплава, имеющего концентрацию С=4,3% при 1147ºС. При 727ºС аустенит, входящий в состав Л₁ превращается в перлит. Образующаяся при этом структура – механическая смесь перлита и цементита с С=4,3% и есть Л₁₁. Л₁₁ вторичный характеризуется высокой твердостью (HRC60–64) и хрупкостью (δ=0).

 

Диаграмма Fe-Fe₃C

Диаграмма (рис. 5.1) представляет собой графическое изображение областей существования фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в зависимости от концентрации С или Fe-Fe₃C (ось абсцисс) и температуры (ось ординат).

 

Рис. 5.1. Диаграмма состояния системы

 

Точка А (1539ºС) на диаграмме соответствует температуре плавления чистого железа, точка D (1250ºС) – цементита. В точке С (с концентрацией 4,3% C и температурой 1147ºС) плавится ледебурит первичный (эвтектика).

Линия ACD – линия ликвидус (выше ее, сплавы находятся в жидком состоянии (Ж)). При охлаждении она показывает температуру начала первичной кристаллизации: по линии AC из жидкого раствора начинает кристаллизоваться аустенит, по CD – цементит первичный (цементит, выделившийся из жидкого раствора, называется первичным, а цементит, образовавшийся из аустенита, – вторичным).

Линия AECF – линия солидус – характеризует конец кристаллизации. Ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.

Прямая ECF называется линией эвтектического превращения; при температуре 1147°С из жидкого сплава образуется эвтектика .

Линия AE – конец кристаллизации аустенита. Точка E диаграммы показывает максимальную растворимость углерода (C =2,14%) в аустените при температуре 1147°С.

Точка G (911ºС) диаграммы соответствует температуре полиморфного превращения чистого железа. Линия GS – начало, линия GP – конец превращения аустенита в феррит.

В точке S (с концентрацией 0,8% углерода и температурой 727°С) протекает реакция распада аустенита, продуктом которой является эвтектоидная смесь (эвтектоид), называемая перлитом (П).

Прямая PSK называется линией эвтектоидного превращения.

Линия SE показывает температуры начала выделения вторичного цементита и является линией предельной растворимости углерода в аустените.

Все фазы и структурные составляющие сплавов данной системы указаны непосредственно в диаграмме.

Точка E (С = 2,14%) принята границей деления железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% углерода, называют сталями, а более 2,14% углерода – чугунами.

Сталь с содержанием углерода 0,8% называется эвтектоидной, менее 0,8% С – доэвтектоидной, более 0,8% С – заэвтектоидной. Эвтектоидная сталь при t ≈20°С имеет одну структурную составляющую – перлит. Структура доэвтектовидных сталей состоит из феррита и перлита, а заэвтектоидных – из перлита и цементита вторичного.

Чугун с содержанием углерода 4,3% называется эвтектическим, менее 4,3% C – доэвтектическим, более 4,3% C – заэвтектическим.

Превращение в сплавах при охлаждении и нагреве

Для анализа процессов, происходящих в сплавах при охлаждении и нагреве используется диаграмма Fe-Fe₃C. На этой диаграмме через точку оси абсцисс с концентрацией углерода рассматриваемого сплава проводится вертикальная линия. Точки пересечения этой линии с линиями диаграммы отображают температуры, при которых в сплаве происходят структурные превращения. Такие точки называются критическими точками или критическими температурами.

На рис. 5.2 приведена левая часть диаграммы Fe-Fe₃C (а) и кривые охлаждения сталей (б).

 

Рис. 5.2. Левая часть диаграммы (а) и

кривые охлаждения сталей (б)

 

Превращения, происходящие в сталях при охлаждении из расплавленного состояния, приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Превращения, происходящие в сталях при охлаждении

из расплавленного состояния

 

Сплав	Крити-ческая точка	Превращения, происходящие в сталях при охлаждении
(с<0,8%)		Начало кристаллизации А
	Конец кристаллизации А. Сталь переходит в твердое состояние со структурой А
	Начало выделения кристаллов Ф из А
	Конец выделения Ф из А. Превращение А в П (эвтектоидное превращение). Сталь приобретает структуру Ф + П
II (С=0,8%)		Начало кристаллизации А
	Конец кристаллизации А. Сталь переходит в твердое состояние со структурой А
	Превращение А в П (эвтектоидное превращение). Сталь приобретает структуру П
III (С>0,8%)		Начало кристаллизации А
	Конец кристаллизации А. Сталь переходит в твердое состояние со структурой А
	Начало выделения Ц11 из А
	Конец выделения Ц11 из А. Превращение А в П (эвтектоидное превращение). Сталь приобретает структуру П + Ц11

 

На рис. 5.3 приведена правая часть диаграммы Fe-Fe₃C (в) и кривые охлаждения чугунов (г)

 

Рис. 5.3. Правая часть диаграммы (в) и

кривые охлаждения чугунов (г)

 

Структурные превращения в чугунах при охлаждении из жидкого состояния приведены в табл. 5.2. При нагреве в сплавах происходят обратные превращения.

 

 

Таблица 5.2

Превращения, происходящие в чугунах при охлаждении

из расплавленного состояния

 

Сплав	Крити-ческая точка	Превращения, происходящие в сталях при охлаждении
(С<4,3%)		Начало кристаллизации А.
	Конец кристаллизации А. Кристаллизация Л1 (эвтектическое превращение). Чугун переходит в твердое состояние со структурой А + Л1. Начало выделения Ц11 из А.
	Конец выделения Ц11 из А. Превращение А в П (эвтектоидное превращение). Превращение Л1 в Л11. Чугун приобретает структуру А + Ц11 + Л11.
II (С=4,3%)		Кристаллизация Л1 (эвтектическое превращение). Чугун переходит в твердое состояние со структурой Л1.
	Превращение Л1 в Л11. Чугун приобретает структуру Л11.
III (C>4,3%)		Начало кристаллизации Ц1.
	Конец кристаллизации Ц1. Кристаллизация Л1. Чугун переходит в твердое состояние со структурой Ц1 + Л1.
	Превращение Л1 в Л11. Чугун приобретает структуру Ц1 + Л11.

 

Порядок выполнения задания:

1. Дать определение структурных составляющих железоуглеродистых сплавов и указать их основные свойства.

2. Назвать основные точки и линии диаграммы Fe-Fe₃C и показать, какие превращения происходят при температурах, соответствующих этим точкам и линиям.

3. Для двух сплавов с содержанием углерода, заданным преподавателем, изобразить кривые охлаждения, описать превращения при охлаждении. На наклонных и горизонтальных участках кривых охлаждения указать структурные составляющие сплавов.

4. Сформулировать выводы по работе, в которых определить практическое значение диаграммы Fe-Fe₃C.

 

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение феррита, аустенита, цементита, перлита, ледебурита первичного, ледебурита вторичного. Охарактеризуйте свойства этих структурных составляющих.

2. В каких структурных составляющих наибольшее (наименьшее) содержание углерода?

3. В каких структурных составляющих фиксированное содержание углерода?

4. Какие точки и линии отображаются на диаграмме Fe-Fe₃C? Каким превращениям они соответствуют?

5. Опишите структурные превращения в сплавах при охлаждении из расплавленного состояния (концентрация С=0,2%, С=0,8%, С=2%, С=3%, С=4,3%, С=5%.

 

Литература для самостоятельной работы:

 

1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Ф.Войткун Материаловедение. СПб, Химиздат, 2002 с.194-201.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6