АНАЛИЗ ФA3ОBЫX РАВНОВЕСИЙ В СИСТЕМЕ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение диаграммы состояния системы железо-углерод и анализ фазовых равновесий в ней.
1. OCHOBHЫE ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
В настоящее время наиболее широкое применение в промышленности имеют железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны. Диаграмма состояния системы железо-углерод дает представление о формировании этих сплавов, начиная от кристаллизации из жидкости и кончая процессами фазовой перекристаллизации в твердом состоянии. Кроме того, диаграмма состояния железо-углерод позволяет оценить структуру сталей и чугунов в равновесных условиях, определяющую многие их свойства; установить температуру нагрева при термической обработке и решить целый ряд других задач.
Компонентами диаграммы состояния являются железо и углерод. Поскольку углерод находится в двух аллотропических модификациях - в виде графита и алмаза, то различают две диаграммы состояния: железо-графит и железо-алмаз. Если первая является стабильной при нормальном давлении, то вторая проявляется полностью при высоких давлениях, когда стабильными становятся неустойчивые карбиды Fe3С, Fe7C3, алмаз. Поскольку известно, что самостоятельными компонентами могут быть устойчивые химические соединения, то диаграмму состояния железо-алмаз, метастабильную при нормальном давлении (т.е. имеющую промежуточное равновесие), можно только условно считать состоящей из диаграммы Fe-Fe3C, Fe3C-Fe7C3, Fe7C3-алмаз. Однако практическое значение имеют сплавы с содержанием углерода до 5%, охватываемые фрагментом полной диаграммы состояния железо-алмаз - диаграммой состояния металлической системы Fe-Fe3C (железо-цементит), в соответствие с которой кристаллизуются стали и белые чугуны, и которая и является предметом данной работы. Железо - металл переходной группы (атомный номер 26, атомная масса 55,85), температура плавления 1539ОС, отличается полиморфизмом - ниже температуры 911ОС и в интервале 1392-1539ОС устойчиво в форме a-модификации (Fea), а в интервале 911-1392OС в форме g-модификации (Feg). Железо-a имеет объемноцентрированную кубическую решетку (К8), параметр которой при комнатной температуре равен 0,286 нм, ниже температуры 768ОС ферромагнитно, а в интервале 768-911ОС – парамагнитно. Железо-g имеет гранецентрированную кубическую решетку (К12) с параметром 0,386 нм. Высокотемпературная модификация a-железа и g-железо парамагнитны.
Второй компонент - цементит имеет сложную ромбическую решетку, полиморфизмом не отличается, при температурах ниже 210ОС имеет слабо выраженные ферромагнитные свойства. По расчетным данным температура плавления цементита оценивается величиной, равной 1252ОС.
При взаимодействии железа и углерода в железоуглеродистых сплавах формируются в зависимости от концентрации компонентов и температуры следующие четыре фазы:
феррит - ограниченный твердый раствор внедрения углерода в a-железе;
аустенит - ограниченный твердый раствор внедрения углерода в g-железе;
жидкость - неограниченный жидкий раствор углерода в железе (более строгим является использование термина "расплав");
цементит - карбид железа Fe3С с содержанием углерода 6,67%.
Структурными же составляющими диаграммы состояния железо-цементит являются 4 однофазных - жидкость, феррит, цементит, аустенит и 2 двухфазных структурных составляющих - перлит и ледебурит.
Диаграмма состояния железо-цементит в интервале концентраций от железа до цементита изображена на рис.1.
Линия ABCD – линия ликвидус соответствует насыщенному состоянию жидкости (Ж): на участках АВ и ВС - железом, а на участке СD - углеродом. Линия AHJECFD - солидус определяет насыщенное состояние продуктов кристаллизации - феррита (Ф), аустенита (А) и цементита (Ц). В фазовых областях между линиями НNJ и GSP происходит фазовая перекристаллизация Ф«А, причем линии HN и GР определяют насыщение феррита углеродом, а линии NJ и GS -аустенита железом. Линии ES и PQ определяют насыщенное состояние аустенита и феррита углеродом. В соответствии с указанными значениями при охлаждении из исходной фазы выделяется фаза, богатая компонентом, которым насыщена исходная фаза. Например, при температурах линии ЕS из аустенита выделяется цементит.
Рис.1. Диаграмма состояния системы железо-цементит
Горизонтальные линии HJB, ECF и РSК указывают на протекание нонвариантных реакций, для которых число степеней свободы С=К+1-Ф=0.
Значения координат точек на диаграмме представлены на отдельных ее фрагментах (рис.2 и 3).
При кристаллизации всех сплавов с содержанием углерода до 2,14% (последние данные - 2,06%), в определенном интервале температур, происходит образование аустенита.
Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода 0,025-2,14% называют углеродистыми сталями, более 2,14% - белыми чугунами.
Рис.2.Фрагмент диаграммы железо-цементит (сплавы 1…5)
Рис.3. Фрагмент диаграммы железо-цементит (сплавы 6…9)
2. АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ
Рассмотрим превращения в железоуглеродистых сплавах, содержащих до 2,14% С, - техническом железе и углеродистой стали, охватываемых "стальной" частью диаграммы состояния железо-цементит.
B сплавах, содержащих углерода менее 0,1% (сплав 1, см. рис.2), при охлаждении из жидкого состояния последовательно протекают следующие превращения (рис.4): в интервале температур 11-21 – первичная кристаллизация с образованием феррита, в интервале 31-41 - фазовая перекристаллизация с образованием аустенита. В интервалах 21-31 и ниже точки 41 происходит охлаждение продуктов превращений, соответственно феррита и аустенита. Уравнения фазовых реакций и схематическое изображение структур в указанных интервалах температур показаны на рис.4.
При содержании углерода 0,16% (сплав 2, см. рис.2) первичная кристаллизация происходит в интервале 12-J. При этом жидкость, оставаясь насыщенной, изменяет состав в диапазоне от 12 до В, а феррит - от 1¢2 до Н. В двухфазной смеси Ж+Ф количество жидкости состава точки В (ЖВ) представлено отрезком НJ, а количество феррита состава точки Н (ФН) -отрезком JВ.
| 01-11 | 11-21 |
| 
| |
| 21-31 | 31-41 | |
| 
| |
| 41-51 | ||
| ||
| Рис.4. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 1 |
| 02-12 | 12-J |
| 
| |
| J-J¢ | J¢-22 | |
|
| |
| Рис.5. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 2 |
При взаимодействии жидкости ЖВ и феррита ФН образуется аустенит состава точки J(AJ) (см. уравнение на рис.5). Эта нонвариантная перитектическая реакция распространяется на интервал концентрация углерода от точки Н (0,1% С) до точки В (0,5% С).
В сплавах типа 3 (<0,16% С) и 4 (>0,16% С) (см. рис.2) перитектическое превращение протекает соответственно при избытке феррита или жидкости. Поэтому ниже 1499ОС превращение в сплавах типа 3 протекает в форме фазовой перекристаллизации с образованием аустенита (рис.6), а в сплавах типа 4 - первичной кристаллизации с образованием аустенита (рис.7).
return false">ссылка скрыта
| 03-13 | 13-23 |
| 
| |
| 23-2¢3 | 2¢3-33 | |
| 
| |
| 33-43 | ||
| ||
| Рис.6 Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 3 |
| 04-14 | 14-24 |
| 
| |
| 24-2¢4 | 2¢4-34 | |
| 
| |
| 34-44 | ||
| ||
| Рис.7 Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 4 |
В сплавах типа 5 (0,5-2,14% С, см. рис.2) имеет место первичная кристаллизация с образованием аустенита. При этом состав жидкости в условиях равновесной кристаллизации изменяется от точки 15 до точки 2¢5, а аустенита - от точки 1¢5 до точки 25.
Как указывалось, формирование структуры стали при охлаждении до нормальной (комнатной) температуры проходит независимо от содержания углерода через состояние аустенита. При содержании углерода менее 0,025% (сплав типа 6, см. рис.3) аустенит в интервале температур 16-26 претерпевает фазовую перекристаллизацию с образованием феррита (рис.8). Образовавшийся феррит оказывается насыщенным и ниже температуры точки 36, при дальнейшем охлаждении из него выделяется цементит. При этом состав феррита изменяется в соответствии с линией его насыщения до точки Q (0,0067% С).
| 06-16 | 16-26 |
| 
| |
| 26-36 | 36-46 | |
| 
| |
| Рис.8. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 6 |
При содержании углерода в стали 0,8% (сплав 7, см. рис.3) аустенит при температуре 727ОС (точка S) оказывается насыщенным и железом, и углеродом. Поэтому при этой температуре происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси феррита и цементита, которая называется перлитом (П, см.рис.9). В интервале температур ниже 727ОС из ферритной составляющей перлита в соответствии с линией PQ выделяется третичный цементит ЦIII (см. рис.9), соединяющийся с цементитом перлита. Сталь состава точки S (0,8% С) называется эвтектоидной.
При охлаждении аустенита доэвтектоидной стали (сплав 8, см. рис.3) в интервале температур 18-28 происходит фазовая перекристаллизация. При этом на уровне температуры 727ОС аустенит в двухфазной смеси А+Ф приобретает эвтектоидный состав и при постоянной температуре превращается в перлит (см. реакции на рис.10). Таким образом, ниже 727ОС доэвтектоидная сталь представлена перлитом и избыточной фазой - ферритом. В соответствии с линией PQ в этой стали ниже 727ОС также выделяется третичный цементит ЦIII.
Из аустенита заэвтектоидной стали (сплав 9, рис.3) ниже температуры линии ЕS (точка 19) выделяется цементит (ЦII) и при температуре 727ОС, достигая эвтектоидного состава, превращается в перлит (см. уравнения на рис.11). Следовательно, в структуре эвтектоидной стали также содержится перлит.
Таким образом, в равновесным условиях при нормальной температуре эвтектоидная сталь представлена перлитом, доэвтектоидная - перлитом и избыточным ферритом, заэвтектоидная - перлитом и избыточным цементитом в виде сетки по границам зерен перлита.
| 07-S | S-S¢ |
| 
| |
| S¢-17 | ||
| ||
| Рис.9. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 7 |
| 08-18 | 18-28 |
| 
| |
| 28-2¢8 | 2¢8-38 | |
| 
| |
| Рис.10. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 8 |
| ||
| 09-19 | 19-29 | |
|
| 
| |
| 29-2¢9 | 2¢9-39 | |
| 
| |
| Рис.11. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 9 |
Различают чугуны эвтектический (4,3% С), доэвтектический (2,14-4,3% С) и зазвтектический (более 4,3% С). Эвтектический чугун (сплав 10, см. рис.1) в процессе кристаллизации распадается с образованием смеси аустенита состава точки Е и цементита. Такое превращение называется эвтектическим, а продукт превращения - смесь цементита и аустенита - ледебуритом (эвтектикой). Эвтектическое превращение, будучи трехфазным, согласно правилу фаз протекает при постоянной температуре (рис.12). В соответствии с линией ES из аустенита ледебурита при охлаждении в интервале 1147-727ОС выделяется вторичный цементит и при температуре 727ОС превращается в перлит.
В доэвтектическом чугуне (см. рис.1., сплав 11) описанным превращениям предшествует первичная кристаллизация с образованием аустенита (рис.13). В заэвтектическом чугуне (см. рис.1, сплав 12) продуктом первичной кристаллизации является цементит (рис.14). При этом на уровне температур 1147ОС жидкость в смесях Ж+А и Ж+Ц приобретает эвтектический состав и превращается в ледебурит.
| 010-С | С-С¢ |
| 
| |
| С¢-110 | 110-1¢10 | |
| 
| |
| 1¢10-210 | ||
| ||
| Рис.12. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 10 |
Таким образом, кристаллизация всех сплавов в интервале содержания углерода от 2,14 до 6,67% завершается эвтектическим превращением при одинаковой температуре на линии ECF – 1147ОС (см. рис.8), всем чугунам свойственно также выделение из аустенита вторичного цементита в интервале 1147-727ОС, протекание эвтектоидного превращения при температуре 727ОС и выделение ферритом третичного цементита ниже 727ОС. Формирование структуры чугуна при охлаждении из жидкого состояния сопряжено с протеканием двух нонвариантных превращений эвтектического и эвтектоидного. Поэтому на кривых охлаждения образуются две изотермические площадки при температурах 1147ОС и 727ОС (см. рис.12-14).
| 011-111 | 111-211 |
| 
| |
| 211-2¢11 | 2¢11-311 | |
| 
| |
| 311-3¢11 | 3¢11-411 | |
| 
| |
| Рис.13 Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 11 |
Структура эвтектического чугуна при нормальной температуре представлена ледебуритом, доэвтектического - ледебуритом и перлитом, заэвтектического - ледебуритом и первичным цементитом.
Диаграмма состояния железо-цементит содержит информацию о фазовом состоянии различных сталей и чугунов. Наряду с этим она позволяет решать задачи, связанные с определением состава фаз и количественного соотношения фаз.
Например, сплав 11 (см. рис.1) при температуре точки 311 содержит феррит состава точки Р и цементит состава точки К. При этом количество феррита равно 311К/РК, а цементита - Р311/РК.
| 012-112 | 112-212 |
| 
| |
| 212-2¢12 | 2¢12-312 | |
| 
| |
| 312-3¢12 | 3¢12-412 | |
| 
| |
| Рис.14. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 12 |
3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
- Уясните цель работы.
- Изучите диаграмму состояния системы железо-углерод.
- Выполните по заданию, приведенному в таблице 1, анализ процесса кристаллизации в равновесных условиях одного из железоуглеродистых сплавов.
Для этого:
- постройте диаграмму состояния системы железо-цементит, укажите на ней фазовые области и проведите линию состава заданного сплава;
- постройте кривую охлаждения;
- проверьте, используя правило фаз Гиббса, правильность построения кривой охлаждения;
- опишите превращения, происходящие при охлаждении сплава,
приведите уравнения фазовых реакций;
- изобразите вероятную структуру сплава для каждого этапа охлаждения;
- определите состав и количественное соотношение фаз при заданной в таблице температуре.
- Составьте отчет о работе.
Исходные данные для анализа процесса кристаллизации
железоуглеродистых сплавов в равновесных условиях
| Номер варианта | Содержание углерода, в сплаве, % | Температура t, ОС |
| 0,1 | ||
| 0,3 | ||
| 0,4 | ||
| 0,5 | ||
| 0,8 | ||
| 1,0 | ||
| 1,5 | ||
| 2,0 | ||
| 2,5 | ||
| 3,0 | ||
| 3,5 | ||
| 4,3 | ||
| 5,0 | ||
| 5,5 | ||
| 6,0 |
Примечания: 1. Номер варианта выбирается по номеру в списке подгруппы.
2. Характерные точки сплава на диаграмме и на кривой охлаждения целесообразно указывать как 01, 11, 21, где 0, 1, 2 и т.д. - номер точки, а подстрочная единица - номер исследуемого сплава.
4 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
- Цель работы.
- Основные теоретические предтавления о диаграмме состояния системы железо-углерод.
- Анализ процесса кристаллизации одного из железоуглеродистых сплавов в равновесных условиях.
5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- Почему диаграмма состояния железо-цементит является метастабильной системой?
- Что называется ферритом, аустенитом, цементитом, перлитом, ледебуритом?
- Укажите на диаграмме линию ликвидус, линию солидус, линии нонвариантных реакций.
- Какую кристаллическую решетку имеет a-железо, g-железо?
- Изобразите геометрические образы нонвариантных перитектической, эвтектической, эвтектоидной реакций.
- Опишите с помощью уравнений нонвариантные реакции.
- Укажите фазовое состояние в различных областях диаграммы.
- Укажите структурное состояние при нормальной температуре доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной стали и доэвтектического, эвтектического, заэвтектического чугуна.
- В чем заключается отличие цементита первичного от вторичного и третичного?
- Определите количественное соотношение феррита и цементита в перлите и ледебурите.
РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гуляев А.П. Металловедение.- М.: Металлургия, 1986.- 544С., С.142-160.
2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Металлургия, 1984.- 360 С., С.116-128.
3. Металловедение и термическая обработка стали. В 3-х т. Т.2. Основы термической обработки/ Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г.- М.: Металлургия, 1983.- 368 С., С.67-83.