Анализ диаграммы железо – цементит

5.1. Цель работы:

5.1.1. Изучить линии, точки, области и фазы диаграммы железо-цементит.

5.1.2. Научиться по диаграмме состояния устанавливать, какие процессы происходят в сплавах при их охлаждении или нагревании с различным содержанием углерода, какие при этом образуются фазы и структурные составляющие.

5.1.3. Научиться анализировать процессы фазовых превращений в зависимости от изменения температуры сплава.

5.1.4. Научиться определять состав фаз, т.е. процентное содержание количество углерода в фазах и количественное соотношение.

Основные теоретические сведения

Металлический сплав получают сплавлением двух или более элементов. В технике широко применяют сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, хромом, никелем и другими веществами.

Элементы - металлы и неметаллы, образующие сплав, называются компонентами.

Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением.

Фаза - это однородная по химическому составу, строению, свойствам часть сплава, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяется скачком.

Сплавы могут составлять следующие элементы структуры: механические смеси, твердые растворы и химические соединения.

Твердые растворы образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку одного компонента атомов другого компонента. Твердые растворы бывают двух типов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

При образовании химических соединений компоненты вступают в химическое взаимодействие. К химическим соединениям относят карбиды, оксиды, сульфиды и др.

Механические смеси представляют собой смесь двух фаз, когда отсутствует взаимодействие между компонентами, нет взаимного растворения, компоненты не вступают в химические реакции и их кристаллические решетки различны.

Процесс кристаллизации сплавов и связанные с ним закономерности строения сплавов изучают по диаграммам состояния. Диаграммы состояния - это графические изображения, показывающие в условиях равновесия фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и химической концентрации компонентов.

Под равновесным состоянием сплава понимают такое состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве происходят полностью в соответствии с диаграммой состояния. Такое состояние наступает при медленном охлаждении сплава. По диаграммам состояния можно определить число фаз в сплавах, относительное количество каждой фазы, ее состав и природу: компоненты, твердый раствор, химическое соединение, определить температуры плавления, затвердевания и аллотропических превращений в сплавах.

Диаграммы состояния строят на основании результатов термического анализа, при котором для сплавов различного состава вычерчивают кривые охлаждения в координатах температура – время. На кривых охлаждения каждого сплава фиксируют температуры фазовых превращений (критические точки). Затем критические точки различных сплавов переносят на диаграмму состояния, которую строят в координатах температура – концентрация. Точки, соответствующие температурам начала и конца кристаллизации, температурам фазовых превращений, соединяют плавными кривыми.

Правило фаз

При рассмотрении процессов превращения в диаграммах равновесного состояния сплавов широко применяется так называемое «правило фаз», дающее возможность проверить правильность построения диаграмм и теоретически обосновать направление протекания процессов превращения для установления равновесного состояния системы, которое определяется следующими переменными факторами: температурой, давлением и составом фаз системы (концентрацией).

Число переменных величин (концентрация фаз, температура, давление), которые могут изменяться независимо друг от друга, называется числом степеней свободы или вариантностью системы.

Число степеней свободы зависит от количества компонентов, числа фаз в системе и переменных внешних условий - температуры и давления. Так как давление в практических условиях изменяется в небольших пределах, не оказывая существенного влияния на процессы превращения, то основным переменным фактором является только температура и тогда уравнение «правила фаз Гиббса» имеет вид

где С ≥ 0 - число степеней свободы (вариантность системы), К – число компонентов в системе, Ф - количество фаз, находящихся в равновесии при рассматриваемых условиях.

Если число степеней свободы системы равно нулю (С = 0), то такое равновесие называют нонвариантным (безвариантным). Это означает, что сплав с данным числом фаз может существовать только при определенных условиях: при постоянной температуре и определенной концентрации всех находящихся в равновесии фаз. Если С = 1, то такая система называется моновариантной (одновариантной), т. е. чтобы не нарушилось равновесное состояние фаз, можно изменить либо концентрацию фаз, либо температуру. Когда С = 2, система бивариантна (двухвариантна). Наличие одной или двух степеней свободы позволяет изменять одну или две переменных без изменения числа фаз. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представление о строении основных конструкционных сплавов - сталей и чугунов.

Диаграмма железо-цементит (рис.5.1) служит основой для уяснения процессов, происходящих при нагревании или охлаждении железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов). На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6, 67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температуры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6, 67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит.

В таблице 5.1 приведена характеристика структурных составляющих железоуглеродистых сплавов.

Анализ диаграммы в настоящей работе проводится по упрощенной диаграмме без ее левого верхнего уголка. При анализе рассматриваются линии и точки диаграммы (табл.5.2 и 5.3), применяются правила фаз и отрезков.

Линия ACD - линия ликвидус, начала кристаллизации. Линия AECF – солидус, конца кристаллизации, ниже которой все сплавы находятся в твердом состоянии и при дальнейшем охлаждении происходят только процессы, связанные с изменением растворимости углерода в Feaи Feg, а также процессы, которые обусловливаются аллотропическим (поли- морфным) превращением железа. Выше линии АСD все сплавы находятся в жидком состоянии и число степеней свободы С= К – Ф + 1 = 2 – 1 + 1 = 2 (рис. 5. 1). Это значит, что сплавы можно нагревать и охлаждать, менять их концентрацию и они остаются жидкими в состоянии равновесия. Между линиями АС и АЕС и линиями С D и CF сплавы двухфазны, состоят из твердой фазы и жидкости, и при этом число степеней свободы равно

С = 2 - 2 + 1 = 1 (табл. 5.2).

Из вышеуказанного следует, что система в данных областях располагает одной степенью свободы и для сохранения ее равновесия можно менять лишь один фактор равновесия - либо температуру, либо концентрацию.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния железо – цементит

Таблица 5.1

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 111213 14 15 16 Следующая ⇒