Краткая характеристика фаз образующихся в сплавах системы Fe-C

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ

СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД

Цель работы: изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, анализ превращений, происходящих в сплавах при охлаждении и нагреве, определение фазового и структурного состояния сплавов в зависимости от их состава и температуры.

 

Ответы на контрольные вопросы:

Краткая характеристика компонентов сплавов системы Fe – C (кристаллическая структура, основные свойства).

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, который может находиться в сплавах в химически связанном состоянии в виде цементита – Fe₃C (Ц) или в свободном состоянии – в виде графита (Г).

Свойства:

1.Обладает температурным полиморфизмом, железо плавиться при 1539 С, его плотность 7,86 ^.10³ кг/м³.

При кристаллизации (1539 ^оС) образуется d-Fe, кристаллическая решетка которого описывается объемно центрированной кубической (ОЦК) решеткой (рис. а )

 

2. Железо d существует в интервале температур 1539...1399 ^оС. При 1399 ^оС вместо d-Fe (ОЦК) путем перегруппировки атомов образуется g-Fe с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой (рис. б), характеризующееся меньшей свободной энергией. Оно устойчиво в температурном интервале 1392...910 ⁰С. При 911 ⁰С происходит полиморфное превращение, g-Fe переходит в a-Fe, имеющее ОЦК решетку с параметром а = 0,286 нм (при 20 ⁰С), устойчивое ниже 911 ^оС вплоть до температуры близкой к абсолютному нулю.

 

 

3. Железо a в зависимости от температуры может находиться в различных магнитных состояниях. При температуре выше 768 ⁰С (768...911 ^оС) a-Fe, так же как и g-Fe, – парамагнетик, ниже 768 ⁰С – ферромагнетик. Температура 768 ^оС (точка Кюри) является температурой перехода a-Fe из парамагнитного состояния в ферромагнитное при охлаждении железа и, наоборот, – при его нагреве. Железо a с парамагнитными свойствами иногда называют b-Fe.

Таким образом, при 1399 ^оС в равновесии находятся d-Fe и g-Fe; температура равновесия g-Fe и a-Fe – 911 ^оС.

Краткая характеристика фаз образующихся в сплавах системы Fe-C

 

 

На рисунке 4.5 представлены две диаграммы: Fe –С – пунктирными линиями, Fe –Fe₃С – сплошными.

В системе Fe-Fe3C возможны (Ж) жидкая фаза, представляющий собой жидкий раствор железа и углерода, и четыре твердые d – феритт, g-аустенит, a-феррит, Fe3C.

Затвердевание сплавов, содержащих до 0,5 % С, начинается с образования d - феррита по реакции Ж_AB ® d - Ф_AH. Характер дальнейшей кристаллизации сплавов зависит от содержания в них углерода. Сплавы, содержащие до 0,1 % С, полностью затвердевают в интервале температур, соответствующих линиям АВ и АН с образованием однофазной структуры d - феррита. Этой структуре соответствует область диаграммы, лежащая левее линии AHN. После выделения из жидкости определенного количества d - феррита при 1499 ^оС они испытывают перитектическое превращение:

В перитектическом сплаве, содержащем 0,16 % С (J), обе исходные фазы (Ж + d - Ф), взаимодействуя между собой при перитектическом превращении, без остатка расходуются на образование g -твердого раствора. После этого сплав приобретает однофазную структуру - аустенит.

В доперитектических сплавах, содержащих от 0,1 (Н) до 0,16 % С (J), после рассматриваемой реакции остается в избытке определенная доля d - феррита, который при дальнейшем охлаждении сплавов (в результате перестройки решетки ОЦК в ГЦК) в интервале температур, соответствующих линиям HN и JN, превращается в аустенит

Заперитектические сплавы (рис. 4.4, а, сплав 1) окончательно затвердевают в интервале температур ликвидус (ВС) - солидус (JЕ), при которых избыточная жидкость, оставшаяся от перитектического превращения, кристаллизуется в аустенит.

Этой реакцией описывается также процесс затвердевания сплавов с содержанием углерода 0,5...2,14 %.

Таким образом, все сплавы, содержащие менее 2,14 % С, после первичной кристаллизации приобретают однофазную структуру - аустенит, сохраняющуюся при охлаждении до температур, соответствующих линии GSE. При дальнейшем охлаждении происходит перекристаллизация аустенита, в результате чего формируется окончательная структура сплавов.

 

Образующаяся эвтектическая смесь двух фаз (А+Ц) называется ледебуритом (при данном фазовом составе- ледебурит аустенитный).

Сплавы доэвтектические 2,14...4,3 % С (Е…С) (рис. 4.4, б, сплав 3) и заэвтектические 4,3...6,67 % С (С…F) (рис. 4.4, б, сплав 4) кристаллизуются в два этапа. На первом в интервале температур ликвидус (ВСD) - солидус (ЕСF) из жидкой фазы выделяются первичные кристаллы: в доэвтектических - А, в заэвтектических - Ц. На втором этапе оставшаяся жидкость затвердевает с образованием эвтектики. В результате после первичной кристаллизации доэвтектические сплавы имеют структуру А + Л (А + Ц), заэвтектические - Ц_I + Л.

 

 

3)Основные превращения в сплавах системы Fe-C

Структурные превращения в сплавах, находящихся в твердом состоянии, вызваны следующими причинами: изменением растворимости углерода в железе в зависимости от температуры сплава, полиморфизмом железа и влиянием содержания растворенного углерода на температуру полиморфных превращений.

 

 

В охлаждающихся сплавах, содержащих менее 0,8 % С, превращение аустенита в феррит начинается не при 911 ^оС, как в безуглеродистом железе, а при температурах, соответствующих линии GS. Это превращение из-за различной растворимости углерода в феррите (PQ) и аустенит (ЕS) сопровождается диффузионным перераспределением углерода между ними.

Полиморфное превращение ГЦК®ОЦК сопровождается выделением углерода из раствора и образованием цементита:

 

Это трехфазное превращение, обусловленное полиморфизмом железа и протекающее при 727 ^оС, называется эвтектоидным. В отличие от трехфазного эвтектического превращения при эвтектоидном исходной фазой является не жидкий, а твердый раствор (в данном случае аустенит). Выделяющаяся из твердого раствора смесь фаз, число которых равно числу компонентов системы, называется эвтектоидом. Структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, образующаяся в результате распада аустенита и состоящая из чередующихся пластинок двух фаз - феррита и цементита, называется перлитом (П). Температура образования перлита соответствует критической температуре А₁.

На диаграмме метастабильного равновесия (см. рис. 4.4) точке А₁ соответствует линия РSК (727 ⁰С). Эвтектоидное превращение протекает во всех сплавах, содержащих более 0,02 % углерода (Р), т. е. в сталях и чугунах. Поэтому в чугунах ледебурит аустенитный при эвтектоидной температуре 727 ^оС видоизменяется, становясь ледебуритом перлитным, Л (А + Ц) ® Л (П+Ц).

Строение окончательно сформировавшейся структуры железоуглеродистых сплавов зависит от содержания в них углерода. Сплавы, в которых углерода менее 0,02 %, имеют структуру Ф + Ц_III и называются техническим железом.

Сплавы с содержанием углерода 0,02...2,14 %, в структуре которых непременно присутствует перлит, являются сталями. Стали делятся на доэвтектоидные (С = 0,02...0,8 %, структура – Ф + П); эвтектоидную (С = 0,8 %, структура - перлит); заэвтектоидные (С = 0,8...2,14 %, структура - П + Ц_II).

Сплавы, содержащие от 2,14 до 6,67 % С, в структуре которых присутствует определенная доля эвтектики - ледебурит, называются белыми чугунами. Они подразделяются на доэвтектические (С = 2,14...4,43 %, структура - П + Ц_II + Л), эвтектические (С = 4,43 %, структура ледебурит), заэвтектические (4,43 …6,67 % С, структура - Ц_I + Л).