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 ЖAB ® d - ФAH. 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 - ЦI + 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 + ЦIII 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 + ЦII).
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 + ЦII + Л), эвтектические (С = 4,43 %, структура ледебурит), заэвтектические (4,43 …6,67 % С, структура - ЦI + Л).
