Краткие теоретические сведения. Существует много методов построения диаграммы состояния (дилатометрический, электрический, магнитотермический

Существует много методов построения диаграммы состояния (дилатометрический, электрический, магнитотермический, термический и др.). Сущность любого из них сводится к нахождению критических точек при нагреве или охлаждении металлов и сплавов. Критическими точками называются температуры, при которых начинаются и/или заканчиваются какие-либо превращения в сплавах. Определив экспериментально критические точки серии сплавов, строят полную диаграмму состояния в координатах "температура – концентрация".

Диаграмма состояния железо-цементит (рис. 1) охватывает сплавы, содержащие углерод в количестве от 0 до 6,67 %^*. При содержании 6,67 % углерода он образует химическое соединение с железом Fe₃C – карбид железа, называемый также цементитом. Один из компонентов сплавов – железо – имеет несколько аллотропических модификаций: до 911 °С железо имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую решетку с периодом 0,286 нм, а в интервале температур 911…1392 °С – гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решетку, а

^{___________________}

^*Здесь и далее приведены массовые %.

выше 1392 °С – снова объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку, но с другим периодом – 0,293 нм.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы подразделяются на техническое железо (£ 0,02 % С), углеродистые стали (от 0,02 до 2,14 % С) и чугуны (от 2,14 до 6,67 % С). Стали в свою очередь подразделяются на доэвтектоидные (0,02-0,8 % С), эвтектоидные (0,8 % С), заэвтектоидные (0,8…2,14 % С).

Чугуны по содержанию углерода классифицируются на доэвтектические (2,14…4,3 % С), эвтектические (4,30 % С), заэвтектические (4,30…6,67 % С).

Процессы, происходящие в сплавах при их фазовых превращениях, подчинены общему закону равновесия, который носит название правила фаз и выражает зависимость числа степеней свободы системы «с» от количества компонентов «к», фаз «ф» и внешних переменных факторов «n» в условиях равновесия:

 

с = к + n – ф

При рассмотрении равновесия в металлических сплавах, находящихся под воздействием атмосферного давления, единственным внешним переменным фактором является температура и поэтому n = 1. Система железо-цементит является двухкомпонентной, то есть к = 2. Отсюда следует, что

 

с = 2 + 1 – ф = 3 – ф

Для построения кривой охлаждения (или нагрева) сплава прежде всего необходимо найти на концентрационной оси диаграммы состояния координату, соответствующую содержанию углерода в сплаве. Затем из найденной точки следует восстановить перпендикуляр до области существования жидкой фазы. Кривая охлаждения (или нагрева) строится справа от диаграммы состояния в координатах температура (ось абсцисс) - время (ось ординат).

Масштаб оси времени произвольный, а масштаб оси температуры такой же, как и на диаграмме состояния.

Во время охлаждения сплава в нем происходят фазовые превращения. Каждое превращение протекает за определенный промежуток времени, поэтому соответствующие им участки кривой охлаждения имеют различные углы наклона по отношению к горизонтальной оси. Чем быстрее происходит превращение, тем круче кривая. Перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращения идут во времени при постоянной температуре (так как с = 0), следовательно им на кривой охлаждения будут соответствовать горизонтальные участки.

Построение кривой охлаждения рассмотрим на примере чугуна, содержащего 5 % углерода (рис. 5). Восстанавливаем перпендикуляр из отметки 5 % углерода на оси абсцисс до точки 1, находящейся в области жидкого состояния сплавов. Переносим пунктиром температуру точки 1 на ось температур нашего графика. В точке 1 рассматриваемый сплав находится в жидком состоянии (то есть существует только одна фаза - жидкий раствор углерода в железе), следовательно с = 3 – 1 = 2. При двух степенях свободы равновесие в системе не нарушается даже при одновременном изменении температуры и концентрации сплава в определенных пределах. При понижении температуры в сплаве не будет происходить никаких превращений, и температура будет падать быстро, кривая охлаждения идет круто вниз до точки 2.

Точкой 2 обозначено пересечение нашей вертикали с линией CD диаграммы состояния, соответствующей началу кристаллизации цементита. Следовательно, в сплаве появляется вторая фаза - цементит, число степеней свободы уменьшается
(с = 3 – 2 = 1), кривая охлаждения станет более пологой до температуры, соответствующей следующей критической точке 3. На участке кривой 1-2 указываем фазовое состояние сплава “ж” и число степеней свободы, равное 2, соответственно на участке 2-3 фазовое состояние “ Ж + Ц ”, а число степеней свободы с = 1.

При изменении температуры в пределах точек 2 и 3 изменяется соотношение между жидкой и твердой фазами, но равновесие не нарушается.

Точка 3 (пересечение вертикали с линией ECF) соответствует эвтектическому превращению, то есть совместной кристаллизации цементита и аустенита с образованием ледебурита. При этом одновременно существуют три фазы - жидкость, цементит и аустенит, следовательно число степеней свободы с = 3 – 3 = 0, и система нонвариантна, три фазы могут находиться в равновесии только при строго постоянной температуре. На кривой охлаждения это отражено отрезком 3-3¢.

Между точками 3 и 4 сплав имеет двухфазное состояние (аустенит и цементит) и с = 3 – 2 =1. При температуре, соответствующей точке 4, в сплаве происходит эвтектоидное превращение, аналогичное эвтектическому. Отличие только в том, что в нем участвуют только твердые фазы - аустенит, цементит и феррит. На кривой охлаждения делаем соответствующие записи.

Порядок выполнения работы

1. Применяя правило фаз Гиббса, построить кривые охлаждения стали или чугуна по варианту, который выдан преподавателем (табл. 1).

2. Проанализировать фазовые превращения.

3. Сделать вывод.

Таблица 1

Номер варианта	Наименование материала или содержание углерода (%)	Номер варианта	Наименование материала ли процентное содержание углерода
	40Х		110ГЛ
	ХВГ		30ХГСА
	0,1 %		КЧ 50-5
	Ст3		3,2 %
	0,6 %		0,02 %
	1,2 %		0,8 %
			2,14 %
	СЧ 25		Р18
	2,6 %		ШХ15
	4,3 %		65Г
	6 %		АСЧ-3
	ВЧ 60		У7А

 

Содержание отчета

1. Диаграмма состояния железо-цементит с обозначением критических точек и областей диаграммы.

2. Кривая охлаждения (или нагрева) сплава с заданной концентрацией углерода.

3. Определение феррита, аустенита, перлита, ледебурита и зарисовка их структур.

4. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Что такое фаза?

2. Что называется структурной составляющей?

3. Что такое феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит?

4. Что такое критическая точка?

5. Как обозначаются критические точки?

6. Что такое эвтектическое превращение?

7. Чем эвтектоидное превращение отличается от эвтектического?

8. Как расшифровывается правило фаз?

9. Как строятся кривые охлаждения?

 

Лабораторная работа № 6