Лабораторная работа №3

ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНОИ И МИКРОСТРУКТУР
СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

Цель работы: дать студентам запас знаний по данной диаграмме, необходимый для понимания сути процессов, происходящих при кристаллизации и последующем охлаждении железоуглеродистых сплавов, а в дальнейшем – при их термообработке. Изучить классификацию железоуглеродистых сплавов по химическому составу и структуре; ознакомиться со свойствами и применением наиболее употребительных марок сталей и чугунов, изучить их микроструктуры.

3.1 Основные свойства железа

ЖЕЛЕЗО – переходный ферромагнитный металл. Порядковый номер – 26, атомная масса – 55,85, плотность – 7784 кг/м³, температура плавления – 1539 ⁰С.

Чистое железо (99,9917%) имеет твердость по Бринеллю 490 МПа (49НВ). Технически чистое железо (99,9 – 99,8%) имеет твердость около 900 МПа; σ_В = 300-350 МПа, δ = 35-40%.

Особо важным свойством железа является его аллотропия, т.е. наличие нескольких кристаллических модификаций.

Низкотемпературное α-железо (ниже 910⁰С) и высокотемпературное δ-железо (выше 1392⁰С и до температуры плавления) имеют одинаковую объемно центрированную кубическую решетку (ОЦК). В интервале температур 910 – 1392⁰С стабильным является γ-железо с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК). Fe_β является немагнитной разновидностью Fe_α (при превращении α ® β в точке Кюри А₂ пространственная решетка не меняется).

С металлами железо образует твердые растворы замещения, а с углеродом, азотом, бором, водородом – твердые растворы внедрения. Наиболее широкое применение в различных отраслях промышленности получили железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны.

УГЛЕРОД – порядковый номер 6, атомная масса 12,011, имеет плотность 2300 кг/м³, температуру возгонки около 3500⁰С, может находиться в двух аллотропических модификациях: графит и алмаз. Углерод в сплавах с железом может существовать в виде цементита (карбида железа Fe₃C) и в виде графита (свободный углерод). Свободный цементит (800 НВ) является неустойчивым химическим соединением. При высокой температуре и продолжительной выдержке цемент распадается с образованием графита и аустенита. Этот процесс имеет важное практическое значение для высокоуглеродистых сплавов - чугунов. В сталях, где концентрация углерода сравнительно невысока, цементит имеет большую устойчивость.

3.2 Диаграмма фазового равновесия «железо – углерод»

Современный вариант диаграммы состояния «железо – углерод» приведен на рис. 3.1. Характерной особенностью этой диаграммы является то, что на ней нанесены две системы одновременно: система Fe – Fe₃C (железо – цементит) – метастабильная – и (железо – графит) – стабильная. Большое практическое значение имеет метастабильная диаграмма, т.к. с помощью этой диаграммы объясняют превращения, происходящие в сталях и белых чугунах. Диаграмма является основой для рационального выбора оптимальных режимов термической обработки железоуглеродистых сплавов.

Рис. 3.1. Диаграмма состояния «железо-углерод»:

1 – метастабильная; 2 – стабильная

3.3. Основные фазы, области, линии и точки диаграммы

В сплавах системы «железо - углерод» встречаются следующие фазы:

1. Жидкий раствор.

2. Твердые растворы на основе различных кристаллических модификаций железа.

3. Химическое соединение Fe₃C (цементит).

4. Структурно-свободный углерод (графит).

Жидкая фаза представляет собой неориентированный раствор Fe и С, распространяющийся выше линии ликвидус АВСД от 0 до 6,67% см.

ФЕРРИТОМ (Ф) называется твердый раствор углерода в α-железе. У него сохраняется решетка Fe_α (ОЦК). Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу – GPQ. Максимальная растворимость углерода в нем не более 0,02% (точка Р), при комнатной температуре она равна 0,006%. Твердость феррита 65-130 НВ, δ = 40%.

Раствор углерода в высокотемпературном δ-железе называется дельта ферритом. Область устойчивости дельта феррита AHN, концентрация углерода достигает 0,1% (точка Н).

АУСТЕНИТ (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе (с решеткой ГЦК). Однофазная область аустенита на диаграмме ограничена линией NJESG. Максимальная растворимость углерода в аустените составляет 2,14% (11470С, точка Е).

ЦЕМЕНТИТ (Ц) – химическое соединение железа с углеродом, соответствующее формуле Fe₃C с концентрацией углерода 6,67% (вертикальная линия

DFKL). Температура плавления цементита точно не определена, т.к. при нагревании он легко распадается на аустенит и графит.

Все остальные области диаграммы за исключением перечисленных, являются двухфазными. В двухфазных областях в равновесии находятся: в области АВН – жидкий раствор и кристаллы феррита; HJM – кристаллы феррита и аустенита; JBC – жидкий раствор и кристаллы аустенита; ESECFK – кристаллы аустенита и цементита; QPSKL – кристаллы феррита и цементита.

Горизонтальные линии на диаграмме отвечают равновесным трехфазным состояниям сплавов. В сплавах с концентрацией углерода от 0.1 до 0,51% при температуре 1499⁰С (линия HJB) происходит перитектическое превращение. В результате взаимодействия кристаллов феррита с окружающим жидким раствором образуется аустенит:

L_(B) + Ф_(H) A_(J).

Перитектическое превращение в сплавах, расположенных левее точки J (С = 0,1 – 0.16%), идет до исчезновения жидкой фазы, а в сплавах, расположенных правее точки J (С = 0,16 – 0,51%), - до исчезновения феррита.

При температуре 1147⁰С (линия ECF) в сплавах с концентрацией углерода от 2,14 до 6,67% происходит эвтектическое превращение:

L_(С) А_(Е) + Ц₍_F₎

В процессе превращения жидкий раствор затвердевает в виде механической смеси кристаллов аустенита и цементита, которая называется ледебуритом (Л).

Во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при температуре 727⁰С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на дисперсную механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита, которая называется перлитом (П):

А₍_S₎ Ф_(Р) + Ц_(К).

Причиной эвтектоидной реакции является полиморфное превращение Fe_γ в Fe_α и резкое уменьшение растворимости углерода с 0,8% в γ-фазе до 0,02% в α-фазе.

Цементит может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах. Цементит, выделяющийся из жидкой фазы, называется первичным (Ц_I), из аустенита – вторичным (Ц_II), а из феррита – третичным (Ц_III).

Железоуглеродистые сплавы при температурах, соответствующих перитектическому, эвтектическому или эвтектоидному превращению находятся в трехфазном равновесном состоянии. Согласно правилу фаз (С = К – Ф + I) равновесие является нонвариантным (С = 2 –3 +I = 0). Все эти превращения происходят при определенных температурах и характеризуются остановкой (горизонтальным участком) на кривой охлаждения сплавов. Во всех остальных областях диаграммы в равновесии находятся две фазы. Эти равновесия моновариантные (С = 2 – 2 + I = I), т.е. превращения в сплавах происходят в интервалах соответствующих температур.

Концентрация углерода в характерных точках диаграммы железо-цементит и линии трехфазного равновесия дана в таблицах 3.1 и 3.2.

Таблица 3.1 – Концентрация углерода в характерных точках диаграммы.

Индекс линии	Температурный интервал, ⁰С	Интервал концентраций углерода, %	Основные свойства
А		0,00	Точка затвердевания чистого железа
В		0,51	Состав жидкой фазы при перитектическом равновесии с d-ферритом и аустенитом
С		4,30	Состав жидкой фазы при эвтектическом равновесии с аустенитом и цементитом
H		0,10	Предельное содержание углерода в d-феррите. Состав феррита при перитектическом равновесии с жидкостью В и аустенитом J
J		0,16	Состав аустенита при перитектическом равновесии
Е		2,14	Предельное содержание углерода в аустените. Состав аустенита при эвтектическом равновесии с жидкой фазой и цементитом
S		0,80	Состав аустенита при эвтектоидном равновесии с ферритом и цементитом
P		0,02	Предельное содержание углерода в феррите при эвтектоидном равновесии с аустенитом и цементитом
Q	Комнатная	0,006	Предельное содержание углерода в феррите при комнатной температуре