Диаграмма состояния системы Fe–C

Диаграмма Fe–C дает представление о структуре железоуглеродистых сплавов (технического железа, стали, чугуна). Эта диаграмма, как правило, рассматривается на участке от 0 до 6,67 % мас. углерода (6,67 массовых или 25 атомных процента углерода содержит карбид железа Fe₃C – цементит). Сплавы с более высоким содержанием С из-за хрупкости не применяются.

На рис. 11 приведен несколько упрощенный вариант данной диаграммы. Компонентами являются железо и углерод. Железо – серебристо-белый металл, в твердом состоянии может существовать в двух полиморфных модификациях: до 911 °С находится в виде a-Fe, выше 911 °С – в виде g-Fe. С углеродом железо образует твердые растворы внедрения. Углерод – неметалл, существует в двух основных модификациях: графит и алмаз. Фазами на диаграмме являются: железоуглеродистый расплав (ж); феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в a-железе, пластичен, имеет относительно низкую прочность и твердость; аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в g-железе, пластичен, имеет высокую вязкость и низкую прочность и твердость; цементит (Ц) – карбид железа Fe₃C, обладает высокой твердостью и хрупкостью. Различают первичный цементит (выделяющийся из железоуглеродистого расплава – Ц _I) и вторичный цементит (выделяющийся в ходе перитектической реакции разложения аустенита – Ц _II). Важными структурными элементами диаграммы являются также перлит и ледебурит.

 

Рис. 11. Упрощенная диаграмма состояния системы Fe–C

 

Перлит образуется при распаде аустенита при 727 °С. Он представляет собой эвтектоидную смесь мелкодисперсных кристаллов цементита и феррита, содержащую 0,8 % мас. углерода. Перлит обладает достаточно высокой твердостью и пластичностью.

Ледебуритом называется эвтектическая смесь, содержащая 4,3 % мас. углерода. В интервале температур 1147–727 °С ледебурит – механическая смесь кристаллов аустенита и цементита (на рис. 16 этот ледебурит обозначен Л), ниже 727 °С аустенит переходит в перлит. Ледебурит состоит из кристаллов перлита и цементита (Л*).

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,02 % называются техническим железом. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 0,02 до 2,14 % называются сталями. Стали с содержанием углерода до 0,8 % называются доэвтектоидными, 0,8 – эвтектоидными, свыше 0,8 % – заэвтектоидными. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 % называются чугунами. Чугуны с содержанием углерода до 4,3 % называются доэвтектическими, 4,3 – эвтектическими, свыше 4,3 % – заэвтектическими. Отсутствие в структуре сталей хрупкой эвтектики делает их ковкими и пластичными. Наличие в структуре чугунов легкоплавкой эвтектики (ледебурит) повышает их литейные свойства, но делает чугун хрупким.

Диаграммы состояния некоторых металлических систем, имеющие практическое значение, представлены на рис. 12–18.

 

Рис. 12. Диаграмма состояния системы Ag–Au

 

Рис. 13. Диаграмма состояния системы Ag–Cu

 

Рис. 14. Диаграмма состояния системы Al–Si

 

 

Рис. 15. Диаграмма состояния системы Bi–Cd

 

Рис. 16. Упрощенная диаграмма состояния системы Cu–Mg

 

 

Рис. 17. Диаграмма состояния системы Cu–Ni

 

Рис. 18. Диаграмма состояния системы Mg–Pb

 

 

ЗАДАЧИ

15.1. Определить путь кристаллизации расплава, содержащего 80 % компонента А (рис. 7). Охарактеризуйте структуру полученного материала.

15.2. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 1200 °C (рис. 11), если исходный расплав содержит 97 % мас. Fe, а его масса равна 100 г?

15.3. Определить путь кристаллизации расплава, содержащего 25 % компонента А (рис. 7). Охарактеризуйте структуру полученного материала.

15.4. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 1160 °C (рис. 11), если исходный расплав содержит 94 % мас. Fe, а его масса равна 500 г?

15.5. Определить путь кристаллизации расплава, содержащего 80 % компонента А (рис. 8). Охарактеризуйте структуру полученного материала.

15.6. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 1000 °C (рис. 12), если исходный расплав содержит 70 % мас. Ag, а его масса равна 1000 г?

15.7. Определить путь кристаллизации расплава, содержащего 60 % компонента А (рис. 8). Охарактеризуйте структуру полученного материала.

15.8. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 800 °C (рис. 13), если исходный расплав содержит 65 % мас. Ag, а его масса равна 200 г?

15.9. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 850 °C (рис. 13), если исходный расплав содержит 30 % мас. Ag, а его масса равна 2000 г?

15.10. Определить путь кристаллизации расплава, содержащего 10 % компонента А (рис. 8). Охарактеризуйте структуру полученного материала.

15.11. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 600 °C (рис. 14), если исходный расплав содержит 95 % мас. Al, а его масса равна 300 г?

15.12. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 800 °C (рис. 14), если исходный расплав содержит 40 % мас. Al, а его масса равна 100 г?

15.13. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 200 °C (рис. 15), если исходный расплав содержит 85 % мас. Bi, а его масса равна 200 г?

15.14. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 200 °C (рис. 15), если исходный расплав содержит 50 % мас. Bi, а его масса равна 500 г?

15.15. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 800 °C (рис. 16), если исходный расплав содержит 95 % мас. Cu, а его масса равна 5000 г?

15.16. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 530 °C (рис. 16), если исходный расплав содержит 85 % мас. Cu, а его масса равна 200 г?

15.17. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 540 °C (рис. 16), если исходный расплав содержит 50 % мас. Cu, а его масса равна 100 г?

15.18. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 500 °C (рис. 16), если исходный расплав содержит 10 % мас. Cu, а его масса равна 1000 г?

15.19. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 1200 °C (рис. 17), если исходный расплав содержит 70 % мас. Cu, а его масса равна 100 г?

15.20. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 550 °C (рис. 18), если исходный расплав содержит 70 % мас. Mg, а его масса равна 700 г?

15.21. Определить путь кристаллизации расплава, содержащего 60 % компонента А (рис. 9). Охарактеризуйте структуру полученного материала.

15.22. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 500 °C (рис. 18), если исходный расплав содержит 50 % Mg, а его масса равна 1000 г?

15.23. Определить путь кристаллизации расплава, содержащего 90 % компонента А (рис. 10). Охарактеризуйте структуру полученного материала.

15.24. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 400 °C (рис. 18), если исходный расплав содержит 15 % мас. Mg, а его масса равна 400 г?

15.25. Определить путь кристаллизации расплава, содержащего 70 % компонента А (рис. 10). Охарактеризуйте структуру полученного материала.

15.26. Определить путь кристаллизации расплава, содержащего 10 % компонента А (рис. 10). Охарактеризуйте структуру полученного материала.

15.27. Определить путь кристаллизации расплава, содержащего 45 % компонента А (рис. 10). Охарактеризуйте структуру полученного материала.

15.28. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 1300 °C (рис. 17), если исходный расплав содержит 40 % мас. Cu, а его масса равна 100 г?

15.29. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 250 °C (рис. 15), если исходный расплав содержит 95 % мас. Bi, а его масса равна 500 г?

15.30. Какие фазы и в каком количестве присутствуют в системе при t = 300 °C (рис. 15), если исходный расплав содержит 20 % мас. Bi, а его масса равна 400 г?