Анализ диаграммы состояния железо-цементит

⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 34Следующая ⇒

Рассмотрим превращения в железоуглеродистых сплавах, содержащих до 2, 14% С, - техническом железе и углеродистой стали, охватываемых " стальной" частью диаграммы состояния железо - цементит.

В сплавах, содержащих углерода менее 0, 1% (сплав 1, см. рис.6.2), при охлаждении из жидкого состояния последовательно протекают следующие превращения (рис.6.4): в интервале температур 1₁-2₁ – первичная кристаллизация собразованием феррита, в интервале 3₁-4₁ фазовая перекристаллизация с образованием аустенита. В интервалах 2₁-3₁ и ниже точки 4₁ происходит охлаждение продуктов превращений, соответственно феррита и аустенита. Уравнения фазовых реакций и схематическое изображение структур в указанных интервалах температур показано на рис.6.4.

Рис.6.2. Фрагмент диаграммы железо-цементит (сплавы 1...5)

Рис.6.3. Фрагмент диаграммы железо-цементит (сплавы 6…9)

Рис.6.4. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 1

При содержании углерода 0, 16% (сплав 2, см, рис.6.2) первичная кристаллизация происходит в интервале 1₂-J. При этом жидкость, оставаясь насыщенной, изменяет состав в диапазоне от 1₂ до В, а феррит - от 1₂ до Н. В двухфазной смеси Ж+Ф количество жидкости состава точки В (Ж_в) представлено отрезком HJ, а количество феррита состава точки Н (Ф_н) отрезком Ж

При взаимодействии жидкости Ж_в и феррита Ф_н образуется аустенит состава точки J(A_J) (см. уравнение на рис.6.5). Эта нонвариантная перитектическая реакция распространяется на интервал: концентраций углерода от точки Н (0, 1% С) до точки В (0, 5% С).

В сплавах типа 3 (< 0, 16% С) и 4 (> 0, 16% С) (см. рис.6.2) перитектическое превращение протекает соответственно при избытке феррита пли жидкости. Поэтому ниже 1499°С превращение в сплавах типа 3 протекает в форме фазовой перекристаллизации с образованием аустенита (рис.6.6), а в сплавах типа 4 – первичной кристаллизации с образованием аустенита (рис.6.7).

В сплавах типа 5 (0, 5-2, 14% С, см.рис.6.2) имеет место первичная кристаллизация с образованием аустенита. При этом состав жидкости в условиях равновесной кристаллизации изменяется от точки 1₅ до точки 2'₅, а аустенита - от точки 1'₅ до точки 2₅.

Рис.6.5. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах

Охлаждения сплава 2

Рис.6.6. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех

Этапах охлаждения сплава 3

Рис.6.7. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах

Охлаждения сплава 4

Как указывалось, формирование структуры стали при охлаждении до нормальной (комнатной) температуры проходит независимо от содержания углерода через состояние аустенита. При содержании углерода менее 0, 025% (сплав типа 6, см. рис.6.3) аустенит в интервале температур 1₆-2₆ претерпевает фазовую перекристаллизацию с образованием феррита (рис.6.8). Образовавшийся феррит оказывается насыщенным и ниже температуры точки 3₆, при дальнейшем охлаждении из него выделяется цементит. При этом состав феррита изменяется в соответствии с линией его насыщения до точки Q (0, 0067% С).

При содержании углерода в стали 0, 8% (сплав 7, см, рис.6.3) аустенит при температуре 727°С (точка S) оказывается насыщенным и железом, и углеродом. Поэтому при этой температуре происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси феррита и цементита, которая называется перлитом (П, см. рис.6.9). В интервале температур ниже 727°С из ферритной составляющей перлита в соответствии с линией PQ выделяется третичный цементит Ц_ш (см. рис.6.9), соединяющийся с цементитом перлита. Сталь состава точки S (0, 8% С) называется эвтектоидной.

При охлаждении аустенита доэвтектоидной стали (сплав 8, см.рис.6.3) в интервале температур 1₈-2₈ происходит фазовая перекристаллизация. При этом на уровне температуры 727°С аустенит в двухфазной смеси А+Ф приобретает эвтектоидный состав и при постоянной температуре превращается в перлит (см. реакции на рис.6.10). Таким образом, ниже 727°С доэвтектоидная сталь представлена перлитом и избыточной фазой – ферритом. В соответствии с линией PQ в этой стали ниже 727°С также выделяется третичный цементит Ц_ш.

Рис.6.8. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 6

Рис. 6.9. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 7

Из аустенита заэвтектоидной стали (сплав 9, рис.6.3) ниже температуры линии ES (точка 1₉) выделяется цементит (Ц_II) и при температуре 727°С, достигая эвтектоидного состава, превращается в перлит (см. уравнения на рис.6.11). Следовательно, в структуре эвтектоидной стали также содержится перлит.

Таким образом, в равновесным условиях при нормальной температуре эвтектоидная сталь представлена перлитом, доэвтектоидная -перлитом и избыточным ферритом, заэвтектоидной – перлитом и избы точным цементитом в виде сетки по границам зерен перлита.

Рис.6.10. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех

Этапах охлаждения сплава 8

Рис.6.11. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех

Этапах охлаждения сплава 9

Различают чугуны эвтектический (4, 3% С), доэвтектический (2, 14-4, 3% С) и заэвтектический (более 4, 3% С). Эвтектический чугун (сплав 10, см. рис.6.1) в процессе кристаллизации распадается с образованием смеси аустенита состава точки Е и цементита. Такое превращение называется эвтектическим, а продукт превращения – смесь цементита и аустенита – ледебуритом (эвтектикой). Эвтектическое превращение, будучи трехфазным, согласно правилу фаз протекает при постоянной температуре (рис.6.12). В соответствии с линией ES из аустенита ледебурита при охлаждении в интервале 1147-727°С выделяется вторичный цементит и при температуре 727°С превращается в перлит.

Рис. 6.12. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех

Этапах охлаждения сплава 10

В довэтектическом чугуне (см. рис.6.3., сплав 11) описанным превращениям предшествует первичная, кристаллизация с образованием аустенита (рис.6.13). В заэвтектическом чугуне (см. рис.6.3, сплав 12) продуктом первичной кристаллизации является цементит (рис.6.14). При этом на уровне температур 1147°С жидкость в смесях Ж+А и Ж+Ц приобретает эвтектический состав и превращается в ледебурит.

Таким образом, кристаллизация всех сплавов в интервале содержания углерода от 2, 14 до 6, 67% завершается эвтектическим превращением при одинаковой температуре на линии ECF - 1147°С, всем чугунам свойственно также выделение из аустенита вторичного цементита в интервале 1147-727°С, протекание эвтектоидного превращения при температуре 727°С и выделение ферритом третичного цементита ниже 727°С. Формирование структуры чугуна при охлаждении из жидкого состояния сопряжено с протеканием двух нонвариантных превращений: эвтектического и эвтектоидного. Поэтому на кривых охлаждения образуются две изотермические площадки при температурах 1147°С и 727°С (см. рис. 6.12-14).

Рис. 6.13. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех

Этапах охлаждения сплава 11

Рис.6.14. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех

Этапах охлаждения сплава 12

Структура эвтектического чугуна при нормальной температуре представлена ледебуритом, доэвгектического – ледебуритом и перлитом, заэвтектического - ледебуритом и первичным цементитом.

Диаграмма состояния железо-цементит содержит информацию о фазовом состоянии различных сталей и чугунов. Наряду с этим она позволяет решать задачи, связанные с определением состава фаз и количественного соотношения фаз.

Например, сплав 11 (см. рис.6.1) при температуре точки 3₁₁ содержит феррит состава точки Р и цементит состава точки К. При этом количество феррита равно 3₁₁К/РК, а цементита – Р3₁₁/РК,

Методика выполнения работы

6.3.1.Уясните цель работы.

6.3.2.Изучите диаграмму состояния системы железо-углерод.

6.3.3.Выполните по заданию, приведенному в таблице 1, анализ процесса кристаллизации в равновесных условиях одного из железоуглеродистых сплавов.

Для этого:

· постройте диаграмму состояния системы железо-цементит, укажите на ней фазовые области и проведите линию состава заданного сплава;

· постройте кривую охлаждения;

· проверьте, используя правило фаз Гиббса, правильность построения кривой охлаждения;

· опишите превращения, происходящие при охлаждении сплава, приведите уравнения фазовых реакций;

· изобразите вероятную структуру сплава для каждого этапа охлаждения;

· определите состав и количественное соотношение фаз при заданной в таблице температуре.

6.3.4.Составьте отчет о работе.

Содержание отчета

6.4.1.Цель работы.

6.4.2. Основные теоретические представления о диаграмме состояния системы железо-углерод.

6.4.3. Анализ процесса кристаллизации одного из железоуглеродистых сплавов в равновесных условиях.

Таблица 6.1

Исходные данные для анализа процесса кристаллизации

⇐ Предыдущая 9 10 11 12 131415 16 17 18 Следующая ⇒