Диаграмма состояния железо-углеродистых сплавов

Цель работы: изучить диаграмму состояния железо-цементит, проанализировать строение и фазовые превращения, происходящие в сплавах Fe-Fe₃C.

 

Компоненты и фазы в системе железо – углерод. Железо – металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Температура плавления железа 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации α и γ. Модификация α-железа существует при температурах ниже 911°С и выше 1392°С (рис. 27). В интервале температур 1392–1539°С α-железо нередко обозначают как δ-железо.

Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см³, температура плавления 3500°С, атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе, имеющий объемноцентрированную кубическую решетку (ОЦК). Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Феррит имеет следующие механические свойства: σ_в = 250 МПа, σ_т = 120 МПа, δ = 50%, ψ = 80%, НВ 800.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе, имеющий гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК). Предельная растворимость углерода в γ-железе – 2,14%. Он имеет твердость НВ 1600–2000; δ = 40…50%.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C), содержит 6,67% С, имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается равной 1550°С. Цементит магнитен и характеризуется высокой твердостью НВ 8000.

Графит представляет собой свободный углерод. Кристаллическая решетка графита гексагональная. Он мягок, электропроводен, химически стоек, малопрочен.

Диаграммы состояния железо - углеродистых сплавов. Сущест-

вует две диаграммы железоуглеродистых сплавов: железо-цементит и железо-графит. Эта двойственность обусловлена тем, что в зависимости от внешних условий в равновесии с жидким раствором и твердыми растворами железа могут находиться как цементит (карбид железа Fe₃C), так и графит.

Цементит является неустойчивым химическим соединением, которое в случае длительного пребывания при достаточно высоких температурах диссоциирует с выделением графита. Неустойчивость цементита возрастает с повышением содержания углерода в сплавах. В сталях цементит отличается высокой устойчивостью; графит в них может появляться лишь в результате длительного пребывания (тысячи часов) при температурах 500–700°С. В чугунах графит часто образуется уже при медленном охлаждении или при нагревах и относительно кратковременных выдержках при повышенной температуре.

Однако диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов изображают двумя системами линий: сплошными, отражающими состояние равновесия в присутствии в сплавах цементита, и пунктирными – графита.

Наибольшее практическое значение имеет метастабильная диаграмма состояний Fe-Fe₃C, т.к. появление графита в чугунах объясняется протеканием вторичной реакции графитизации: цементит → железо + графит, а в сталях графит встречается чрезвычайно редко.

Диаграмма состояний Fe-Fe₃C представлена на рис. 19, 20.

На диаграмме Fe-Fe₃C точка А (1539°С) отвечает температуре плавления железа, а точка D (~1600°С) – температуре плавления цементита. Точки N (1392°С) и G (911°С) соответствуют полиморфному превращению α ↔ γ.

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния Fe-Fe₃C следующая: В – 0,51% С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ-ферритом и аустенитом при перитектической температуре 1499°С; Н – 0,1% С предельное содержание в δ-феррите при 1499°С;

J – 0,16% С – в аустените при перитектической температуре 1499°С;

Е – 2,14% С предельное содержание в аустените при эвтектической температуре 1147°С; S – 0,8% С – в аустените при эвтектоидной температуре 727°С; Р – 0,02% С – предельное содержание в феррите при эвтектоидной температуре 727°С.

 

 

 

Рис. 19. Фазовый анализ диаграммы состояния железо-цементит:

а – общий вид; б – верхний левый угол диаграммы

 

Кристаллизация сплавов Fe-Fe₃C. Линии диаграмм состояния Fe-Fe₃C, определяющие процесс кристаллизации, имеют следующие обозначения и физический смысл: АВ – линия ликвидус, показывает температуру начала кристаллизации δ-феррита (Ф) из жидкого сплава (Ж); ВС – линия ликвидус, соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава (Ж); CD – линия ликвидус, соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Ц_I) из жидкого сплава (Ж); АН – линия солидус, является температурной границей области жидкого сплава (Ж) и кристаллов δ-феррита (Ф); ниже этой линии существует только δ-феррит; HJB – линия перитектического превращения (1499°С), на ней происходит перитектическая реакция (жидкость состава т. В взаимодействует с кристаллами δ-феррита состава т. Н с образованием аустенита состава т. J)

 

(21)

 

Линия ECF – линия солидус, соответствует кристаллизации эвтектики – ледебурита.

Ледебурит – эвтектика, представляющая собой механическую смесь кристаллов аустенита и цементита, полученную в процессе их одновременной кристаллизации из жидкого сплава, состоящая на момент образования из аустенита состава т. Е и цементита (22):

 

(22)

 

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих различное количество углерода. В сплавах, содержащих 0,1–0,16% С, по достижении температур, отвечающих линии АВ из жидкой фазы начинают выделяться кристаллы δ-феррита и сплав становится двухфазным Ж + δФ. Состав δФ при понижении температуры меняется по линии солидус, а состав Ф – по линии ликвидус. При температуре 1499°С в равновесии находятся δФ состава точки Н (0,1% С) и Ж состава точки В (0,51% С). При этой температуре протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется двухфазная структура δФ и А состава точки J

(0,16% С) (23):

 

(23)

 

В сплаве, содержащем 0,16% С, кристаллы твердого раствора δФ в результате взаимодействия с жидкой фазой при перитектической реакции полностью превращается в А (24):

 

(24)

 

В сплавах, содержащих от 0,16 до 0,51% С, при перитектической температуре в результате взаимодействия между δФ и Ж образуется А, но часть жидкой фазы остается неизрасходованной (25):

 

(25)

 

Процесс кристаллизации закончится по достижении температур, соответствующих линии солидус JE. После затвердевания сплавы приобретают однофазную структуру – аустенит.

Сплавы, содержащие от 0,51 до 2,14% С, кристаллизируются в интервале температур, ограниченном линиями ВС и JE. Ниже линии ВС сплавы состоят из жидкой фазы и аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус, а аустенита по линии солидус.

При температуре 1147°С аустенит достигает предельной концентрации, соответствующей т. Е (2,14% С), а оставшаяся жидкость – эвтектического состава т. С (4,3% С).

При температуре эвтектики (линия ECF) существует нонвариантное (С = 0) равновесие аустенита состава т. Е (А_Е), цементита (Fe₃C) и жидкой фазы состава т. С (4,3% С). В результате кристаллизации жидкого сплава состава т. С (4,3% С) образуется эвтектика – ледебурит, состоящая в момент образования из аустенита состава т. Е и цементита (26):

 

(26)

 

Доэвтектические сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит + ледебурит (А + Fe₃C). Эвтектический сплав (4,3% С) затвердеет при постоянной температуре с образованием только эвтектики – ледебурита.

Заэвтектические сплавы (4,3–6,67% С) начинают затвердевать с понижением температуры до линии ликвидус CD, когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита. Концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 1147°С жидкость достигает эвтектической концентрации 4,3% С (т. С) и затвердевает с образованием ледебурита. После затвердевания заэвтектические сплавы состоят из первичного цементита и ледебурита.

Сплавы, содержащие до 2,14% С, называют сталью, а более 2,14% С – чугуном. Стали после затвердевания не содержат хрупкой составляющей – ледебурита – и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т.е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами.

По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами, что объясняется присутствием в структуре чугуна легкоплавкой эвтектики.

Фазовые и структурные изменения в сплавах Fe-Fe₃C после затвердевания связаны с полиморфизмом железа и изменением углерода в аустените и феррите с понижением температуры. Превращения, протекающие в твердом состоянии, описываются следующими линиями: NH – начало полиморфного превращения δ-феррита в аустенит; NJ – окончание полиморфного превращения δ-феррита в аустенит; GS – начало полиморфного превращения аустенита в феррит; GP – при охлаждении соответствует окончанию превращения аустенита в феррит; SE – линия предельной растворимости углерода в аустените, при охлаждении соответствует температурам начала выделения из аустенита вторичного цементита. Линия эвтектоидного превращения PSK при охлаждении соответствует распаду аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида – феррито-цементитной структуры, получившей название перлит (27):

 

(27)

Изменение растворимости углерода в феррите в зависимости от температуры соответствует линии PQ. При охлаждении эта линии соответствует температурам начала выделения третичного цементита, а при нагреве – полному его растворению.

Сплавы, содержащие ≤ 0,02% С (точка Р), называют техническим железом. Эти сплавы испытывают при охлаждении и при нагреве полиморфное превращение γ ↔ α между линиями GOS и GP.

Ниже GP существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении по достижении температур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит третичный, который резко снижает пластичность феррита.

Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% С, называют доэвтектоидными. При понижении температуры (ниже линии GOS) по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут, превращаясь в зерна. Количество аустенита уменьшается, а содержание в нем углерода возрастает, т.к. феррит почти не содержит углерода (≤ 0,02% С).

При понижении температуры состав аустенита меняется по линии GOS, а феррита – по линии GP.

Чем выше концентрация углерода в стали, тем меньше образуется феррита. По достижению температуры 727°С (А ₁) содержание углерода в аустените достигает 0,8% (т. S). Аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию углерода, распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих перлит.

Эвтектоидное превращение аустенита происходит при постоянной температуре 727°С, при наличии трех фаз: феррит (0,02% С), цементит (6,67% С) и аустенит (0,8% С). При этом система нонвариантна:

c = k – f + 1 = 2 – 3 + 1 = 0.

Вариантность системы будет рассмотрена ниже.

После окончательного охлаждения доэвтектоидные стали имеют структуру феррит + перлит.

Чем больше в стали углерода, тем меньше в структуре феррита и больше перлита. При содержании в стали 0,6–0,7% С феррит выделяется в виде оторочки вокруг зерен перлита (ферритная сетка).

Сталь, содержащая 0,8% С называют эвтектоидной. В этой стали по достижении температуры 727°С весь аустенит превращается в перлит. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Стали, содержащие от 0,8% до 2,14% С, называют заэвтектоидными. Выше линии ES в этих сплавах будет только аустенит. При температурах, соответствующих линии ES, аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при понижении температуры из него выделяется вторичный цементит, т. е. сплавы становятся двухфазными (А + Ц_II). По мере выделения цементита концентрация углерода в аустените уменьшается по линии ES. При снижении температуры до 727°С (линия PSK) аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные стали состоят из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки по границам бывшего зерна аустенита и делает сталь хрупкой.

В доэвтектических чугунах, содержащих 2,14–4,3% С, при понижении температуры, вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените (линия SE), происходит частичный распад аустенита – как первых его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в ледебурит. Это приводит к выделению кристаллов вторичного Fe₃C и уменьшению содержания углерода в аустените. При температуре 727°С аустенит, обедненный углеродом до 0,8%, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру: перлит, ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит; чем больше в чугуне углерода, тем меньше перлита и больше ледебурита. Эвтектический чугун содержит 4,3% С, при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита (перлит + цементит).

Заэвтектический чугун содержит углерода больше, чем 4,3%, и после затвердевания состоит из цементита и ледебурита (аустенит + Fe₃C).

При понижении температуры эвтектический аустенит обедняется углеродом вследствие выделения избыточного цементита и при температуре 727°С распадается с образованием перлита. После охлаждения заэвтектические чугуны состоят из первичного цементита, имеющего форму пластин, и ледебурита (перлит + цементит). С повышением содержания углерода количество цементита возрастает.

Цементит третичный в сталях и чугунах, а также цементит вторичный в эвтектическом и заэвтектических чугунах как самостоятельные структурные составляющие при микроструктурном анализе обычно не обнаруживаются.

Следует отметить, что все описанные изменения структуры, происходящие при охлаждении сплавов, обратимы, т.е. они совершаются и при нагреве сплавов (в обратном порядке).

О фазовых превращениях, происходящих в сплавах, можно судить по кривым охлаждения или нагревания. К числу фазовых превращений относятся плавление или кристаллизация, перестройка кристаллической решетки, полиморфизм, перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращение и перекристаллизация.

Система характеризуется параметрами своего фазового состояния: температурой, давлением и объемом. В двух- и многокомпонентных системах вместо объема указывается относительное содержание (массовая доля) компонентов.

Фазовое состояние системы, характеризующееся числом сосуществующих фаз (f), зависит от числа компонентов (k) и числа степеней свободы c. Эти три фактора связаны уравнением c = k – f + 1, которое называется правилом фаз, где за 1 принят параметр температура.

Правило фаз используется для фазового анализа кривых охлаждения.

Весовое соотношение структурных составляющих (или фаз), присутствующих в сплавах, а также соотношение кристаллических фаз в структурных составляющих – эвтектиках и эвтектоидах, можно определить по правилу отрезков.

 

Количества твердой и жидкой фаз данного сплава при рассматриваемой температуре обратно пропорциональны отрезкам горизонтали, проведенной через данную точку до пересечения с линией ликвидуса и с линией солидуса (или с линией ликвидуса и осью ординат).

Например, определим количество аустенита и жидкого расплава в сплаве с содержанием углерода 2% при температуре 1300°С (см. рис. 20). Отрезок ас характеризует весь сплав, тогда количество аустенита Q _A (28) и количество жидкой фазы Q _Ж (29) определяются по формулам:

 

(28)

(29)

 

Значит, в точке b аустенита по отношению ко всему сплаву находится 63,1%, а жидкого сплава 36,9%.

Определим весовое соотношение структурных составляющих в белом доэвтектическом чугуне с 3% С при 900°С (см. рис.19).

При 900°С в белом доэвтектическом чугуне имеются три структурные составляющие: эвтектика, аустенит и вторичный цементит.

Поскольку весовая доля эвтектики не изменяется с температуры ее образования до комнатной (20°С) температуры, подсчитаем, сколько в нашем сплаве было эвтектики (т.е. ледебурита) при эвтектической температуре 1147°С, т.е. тогда, когда присутствовали только две структурные составляющие: ледебурит и аустенит. Содержание углерода в эвтектике равно 4,3%, содержание углерода в аустените при 1147°С равно 2,14%. Таким образом, отношение веса эвтектики к весу всего сплава равно отношению отрезка ЕО к отрезку ЕС (30):

 

(30)

Остальная доля веса приходится на аустенит, которую при эвтектической температуре будет около 60%.

При охлаждении чугуна от эвтектической температуры до 900°С из аустенита выделяются кристаллы вторичного цементита, согласно линии предельной растворимости ES, т. е. содержание углерода в аустените соответствует точке e, что составляет 1,3%.

Подсчитаем теперь, сколько по весу вторичного цементита должно выделяться из аустенита при охлаждении с 1147 до 900°С. Содержание углерода в аустените при 900°С равно 1,3%, содержание углерода в цементите 6,67%. Следовательно, отношение веса кристаллов вторичного цементита к весу всего сплава соответствует отношению отрезков ek к el (31):

 

(31)

 

В качестве примера рассмотрим процесс структурообразования в охлажденной стали с 0,4% С (см. рис. 28). Выше точки t ₁ сталь находится в жидком состоянии и охлаждается. В интервале температур t ₁– t ₂ из жидкой фазы, концентрация углерода (состав) в которой изменяется по ликвидусу АВ, образуются кристаллы δФ. Их состав определяется по солидусу АН. При кристаллизации выделяется теплота и на участке кривой t ₁– t ₂ охлаждение сплава замедляется.

При температуре t ₂ (1499°С) происходит перитектическое превращение (32):

(32)

 

Избыточный жидкий расплав кристаллизуется при охлаждении в интервале температур t `₂– t ₃ с образованием аустенита. В интервале температур t ₃– t ₄ происходит охлаждение аустенита. При температурах t ₄– t ₅ происходит полиморфное превращение, т.е. аустенит, имеющий решетку ГЦК, превращается в феррит, имеющий решетку ОЦК. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии 4 S, а массовая доля аустенита уменьшается. Содержание же углерода в феррите изменяется по линии 4 P, а массовая доля феррита увеличивается.

При температуре t ₅ (727°С) концентрация углерода в аустените будет соответствовать точке S (0,8% С), а в феррите – точке Р (0,02% С), т.е. происходит эвтектоидное превращение, когда из аустенита, не превратившегося в феррит, образуется перлит (33):

 

(33)

 

В процессе последующего охлаждения сплава из феррита, согласно линии предельной растворимости PQ, выделяется Ц_III, который наслаивается на цементит входящий в состав перлита и структурно не обнаруживается.

Массовые доли феррита (34) и перлита (35), как структурных составляющих стали определим для температуры 700°С по правилу отрезков:

 

(34)

 

(35)

 

Массовая доля феррита как фазы, существующей вместе с цементитом, определяется как (36):

(36)

 

Остальные 4,3% приходятся на долю цементита.

Итак, структурный состав медленно охлажденной стали, содержащей 0,4% С, состоит из 51,3% феррита и 48,7% перлита, а фазовый состав будет соответствовать 95,7% феррита и 4,3% цементита.

Типовые примеры кривых охлаждения с указанными структурами представлены на рис.21.

 

Порядок выполнения работы

1. В соответствии с табл. 6 по номеру варианта выбираются исходные данные для индивидуального задания.

2. Вычертить в масштабе диаграмму Fe-Fe₃C с указанием темпера- тур фазовых превращений и концентраций углерода в характерных точках: H, J, B, P, S, Q, и C.

3. Указать и описать фазы и структурные составляющие, имеющие место на диаграмме состояния.

4. Написать изотермические реакции, происходящие при охлажде-нии на линиях HIB, ECF, PSK.

5. Построить кривую охлаждения (нагрева) с применением правила фаз для одного из сплавов, заданного преподавателем и описать превращения, происходящие сплаве.

6. Определить составы фаз и структурных составляющих, их массо- вые доли (используя правило отрезков) в исследуемом сплаве при указанных преподавателем температурах.

7. Написать отчет о работе в соответствии с вышеуказанными пунктами.