Приклади аналізу перетворень у окремих залізовуглецевих сплавах із заданим вмістом Карбону

Приклад 1.

Проаналізуємо послідовність перетворення у сплаві, з вмістом 0,3 % Карбону під час його охолодження і розглянемо криву охолодження (рис. 2, а).

Спочатку на діаграмі Fe–Fe₃C (рис. 2, б) проводимо вертикальну лінію І, що відповідає заданому складу сплаву, позначаємо точки перетинання її з лініями діаграми послідовно цифрами (точки 0...6). За правилом фаз Ґіббса для кожної точки визначаємо кількість ступеней вільності та перевіряємо правильність побудови кривої охолоджен­ня.

Від точки 0 до точки 1 відбувається просте фізичне охолодження рідкого розчину. Наявна одна фаза (). Число ступеней вільності в цьому інтервалі дорівнює:

(6)

На кривій охолодження відзначаємо нахилену ділянку 0 – 1, яка означає, що охолодження проходить з певною швидкістю.

 

Рис. 2. Приклад графічного розв’язку завдання

За температури, що відповідає точці 1 починають виділятися кристали твердого розчину –фериту. З пониженням температури об’єм кристалічної фази збільшується, а кількість рідкого розчину зменшується. Концентрація рідини змінюється по лінії АB, а вміст твердої фази — по лінії АН. У точці 2 кристалізація завершується й структура сплаву складає лише однорідний твердий розчин –фериту.

Від точки 1 до точки 2, як уже відомо, продовжується із рідкого розчину виділятися – ферит, маємо дві фази:

(7)

Поява кристалів твердої фази ( –фериту) супроводжується виділенням прихованої теплоти кристалізації, а тому на кривій охолодження з’являється перегин в точці 1 і відрізок між точками 1–2 змінює нахил (швидкість охолодження зменшується).

У точці 2 (температура 1493 ºС) відбувається перитектичне перетворення, коли в рівновазі перебувають одночасно три фази: рідкий розчин, ферит і аустеніт:

(8)

Маємо нонваріантну рівновагу:

, (9)

а це означає, що трифазний стан існує за сталої температури. На кривій охолодження маємо горизонтальну лінію 2 – 2′.

Від точки 2 до точки 3 відбувається кристалізація залишків рідкої фази в аустеніт унаслідок виділення значної кількості прихованої теплоти кристалізації, фаз при цьому дві (рідкий розчин і аустеніт):

(10)

У точці 3 повністю завершується кристалізація, утворюється однорідний твердий розчин — аустеніт. Охолодження проходить з певною швидкістю, а тому на кривій охолодження маємо нахилену ділянку 2′ – 3.

Від точки 3 до точки 4 відбувається просте фізичне охолодження аустеніту без перетворень, наявна одна фаза — аустеніт:

(11)

Охолодження аустеніту проходить з певною швидкістю і на кривій охолодження в точці 3 утворюється перегин, що вказує на збільшення швидкості охолодження, оскільки припиняється виділення теплоти перетворення.

Від точки 4 до точки 5 частина аустеніту перекристалізовується у ферит (Fe → Fe ), фаз при цьому дві (аустеніт і ферит):

(12)

Концентрація аустеніту змінюється по лінії GS, а фериту — по лінії GP. Охолодження двофазного сплаву триває, але з меншою швидкістю, тому в точці 4 буде перегин.

У точці 5 відбувається евтектоїдне перетворення, коли у рівновазі перебувають три фази: аустеніт, ферит і цементит вторинний:

. (13)

Знову маємо нонваріантну рівновагу:

(14)

Перетворення проходить за сталої температури. На кривій охолодження маємо горизонтальну лінію 5 – 5′.

Від точки 5 до точки 6 є виділення цементиту третинного з фериту, але цементиту дуже мало і це практично не відбивається на нахилі кривої. Структура сплаву на цій ділянці — ферит і перліт, а фаз буде дві (ферит і цементит вторинний):

(15)

Охолодження проходить з певною швидкістю і на кривій маємо нахилену ділянку 5′–6. Рівноважна структура сплаву після охолодження до кімнатної температури — перліт і ферит надлишковий (рис. 1).

Приклад 2.

За діаграмою фазової рівноваги залізовуглецевих сплавів із застосуванням правила відрізків (важеля) проведемо кількісний аналіз сплаву, що містить 1,2 % Карбону. Аналізуємо вертикальну лінію ІІ (рис. 2, б), що відповідає концентрації заданого сплаву, точніше точки перетину — точки 0...5. За правилом фаз Ґіббса перевіряємо правильність побудови кривої охолодження (рис. 2.9.3, в), аналізуємо перетворення, що відбуваються у сплаві під час охолодження.

До температури точки 1 сплав перебуває в рідкому стані. За цієї температури починається його кристалізація з утворенням кристалів аустеніту, яка відбувається в інтервалі температур від точки 1 до точки 2. Аустеніт, що закристалізувався, охолоджується до температури точки 3 без перетворень. За цієї температури з аустеніту починає виділятися надлишковий Карбон з утворенням цементиту вторинного. Виділення вторинного цементиту продовжується до температури точки 4 (727 ˚С). У результаті цього перетворення вміст Карбону в аустеніті зменшується і при температурі 727 ˚С сягає евтектоїдної концентрації — 0,76 % С. Такий аустеніт при постійній температурі 727 ˚С перетворюється в перліт за евтектоїдною реакцією. Сплав отримує структуру перліту і цементиту вторинного, яка зберігається при подальшому охолодженні до кімнатної температури.

Застосовуючи правило відрізків, проведемо кількісний фазовий аналіз заданого сплаву (С = 1,2 %) за температури 1400 °С. Для цього через фігуративну точку t (рис. 2, б) проводимо горизонтальну лінію до перетину з двома найближчими суцільними лініями діаграми, а саме — лініями BC і JE. У точці а вона перетне лінію JE,що є границею з однофазною областю аустеніту, а у точці b —перетне лінію ВС, що є границею з рідиною. Отже, заданий сплав за температури 1400 °С складається з двох фаз — аустеніту й рідкого розчину.

Для визначення концентрації компонентів (Fe і C)у сплаві та у кожній із двох фаз (аустеніті й рідкому розчині) спроектуємо точки t, a і b на вісь концентрацій (абсцису), отримавши точки t ′ —концентрацію Карбону у сплаві (С = 1,2 %), a ′ —в аустеніті (С =0,71 %), b ′ —у рідкому розчині (С =1,98%).

Для визначення кількісного співвідношення фаз користуємося відрізком ab Величини відрізків цієї лінії між заданою точкою t і точками a і b — обернено пропорційні до кількостей цих фаз (у нашому випадку аустеніту й рідкого розчину) і записуються співвідношенням:

. (16)

Якщо прийняти довжину всього відрізка () за 100 %, то кількісний вміст аустеніту й рідкого розчину можна визначити із залежностей:

; , (17)

де – кількість сплаву;

– кількість аустеніту;

– кількість рідкого розчину.

У нашому випадку довжини відрізків , , матимуть значення:

;

; (18)

.

Отже, для заданого сплаву, що містить 1,2 % С, за температури 1400 ºС кількість відповідних фаз (аустеніту та рідкого розчину) становитиме:

, (19)

. (20)

 

Практична частина

1. Накреслити діаграму стану залізо–вуглець (карбід заліза), вказати фази і структурні складові в усіх областях діаграми.
2. Охарактеризувати компоненти, фази і перетворення.
3. Побудувати схему кривої охолодження (нагрівання) для сплаву із вмістом X % вуглецю, підтвердивши правильність її побудови правилом фаз Гіббса.
4. Використовуючи прави­ло відрізків, визначити фазовий склад сплаву із вмістом X % вуглецю при температурі t ºС, концентрацію компонента в кожній фазі даного сплаву та кількісне співвідношення відповідних фаз.