Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

 

Черные металлы представляют собой сплавы из двух компонентов железа и углерода (в данной работе не учитываются примеси и легирующие добавки), железо и углерод, неограниченно растворимые в жидком состоянии, в твердом образуют два типа твердых веществ - ограниченные твердые растворы внедрения углерода в железе и химическое соединение - карбид железа. При этом первичным процессом является образование твердых растворов; карбид железа или цементит образуют атомы углерода, не растворившиеся в железе. Аллотропия железа приводит к образованию двух типов твердых растворов: высокотемпературного (аустенит) и низкотемпературного (феррит).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКА СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Обозначения - А или Fe-γ. В растворенном состоянии в сплавах аустенит существует до 727°С. Максимальное содержание углерода в твердом растворе 2,14%. Твердость НВ=160-200 кгс/мм².

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Обозначение- Ф или Fe-α. Образуется при разложении аустенита ниже 911°С. Максимальное содержание углерода -0,02%. Предел точности 250 МПа; предел текучести 120 МПа; твердость НВ=100-120 кгс/мм²; относительное удлинение - 50%.

Цементит - химическое соединение Fе_зС. Обозначение - Ц. Температура плавления -160 0°С. Аллотропических изменений не испытывает. Содержание углерода - 6,67%. Предел прочности - 1450 МПа; предел текучести - 1400 МПа; твердость – НВ=800 кгс/мм²; относительное удлинение - < 0,1%. Различают три вида цементита. Первичный – Ц₁ образующийся при твердеют жидкости в сплавах с содержанием углерода более 2,14%, представляет собой крупные кристаллы; вторичный – Ц₂, образующийся при разложении аустенита в сплавах, содержащих углерода более 0,02%, имеет форму пластинок или кристаллов средних размеров; третичный - Цз, образующийся при выделении лишнего углерода из феррита (растворимость углерода в феррите от 0,02% при 727°С до 0,00624% при 20°С), имеет форму мелкой сетки по границам феррита.

Перлит - эвтектоидная (механическая) смесь феррита и вторичного цементита. Обозначение - П. Содержание углерода - 0,8%. Предел прочности - 900 МПа; предел текучести - 400 МПа; твердость НВ=250 кгс/мм²; относительное удлинение - 25%.

Ледебурит - эвтектическая (механическая) смесь аустенита и первичного цементита. Обозначение - Л. Содержание углерода - 4,3%. Предел прочности - 1200 МПа; предел текучести - 800 МПа; твердость - НВ 600 кгс/мм²; относительное удлинение - 1%.

ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Характеристика и определение линий диаграммы состояния:

АВСД – линия ликвидус начало первичной кристаллизации;

АHIЕСF - линия солидус - окончание первичной кристаллизации;

GSE - начало вторичной кристаллизации (перекристаллизации);

PSK - окончание вторичной кристаллизации для сталей и перекристаллизации для чугунов, эвтектоидная горизонталь;

HIB – перитектическая горизонталь;

ECF – эвтектическая горизонталь;

HJB – перитектическая горизонталь;

SE – линия растворимости углерода в γ -железе;

PQ – линия растворимости углерода в α -железе.

 

Характеристика и определение основных точек диаграммы состояния:

Д – температура плавления цементита (1600 ⁰С);

A– температура плавления чистого железа (1539 ⁰С);

Е –характеризует предел растворимости углерода в аустените и разделяет диаграмму на стали (левее точки Е) и чугуны (правее точки Е);

S – эвтектоидная точка образования механической смеси феррита и вторичного цементита - перлита;

С – эвтектическая точка образования механической смеси аустенита и первичного цементита (ледебурита) из расплава;

I – перитектическая точка образования твердого раствора аустенита из феррита и жидкости;

G – температура перехода α- железа в γ- железо;

N – температура перехода γ- железа в δ- железо.

 

РАСЧЕТ массового СООТНОШЕНИЯ ФАЗ

ПО ДИАГРАММЕ СОСТОЯНИЯ

 

Применение правила рычага (рис. 2) сводится к определению массовой концентрации какой-либо фазы при заданной температуре в двухфазной области диаграммы состояния. Для этого нужно через эту точку провести коноду в₁в₂, соединяющую линии ликвидус и солидус, и разделить длину отрезка коноды, противолежащего данной фазе, на общую длину коноды.

Рис. 2. Пример применения правила рычага (а).

 

Пример: Определить массу твердой -фазы для сплава с концентрацией 25%А+75%В при температуре Т_В (масса сплава 1 кг).

Отрезки в₁в₀ и в₀в₂ – это отрезки, соответствующие массовым долям твердой и жидкой m_L фаз. Чтобы найти массовую концентрацию твердой фазы, надо длину отрезка, противолежащего к твердой фазе, т.е длину отрезка в₀в₂, разделить на длину всей коноды в₁в₂ и умножить на 100%. Точно так же находится массовая концентрация жидкой фазы.

Вначале определим процентное содержание твердой и жидкой фаз.

= ; = 57,8 %. Тогда = 100% – 57,8% = 42,2 %.

Если масса сплава 1 кг, то = 578 г. Соответственно m_L= 422 г.