АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – углерод

 

Цель работы – изучить диаграмму состояния Fe – C и структурные превращения железоуглеродистых сплавов.

 

Задание и порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с основными теоретическими положениями.

2. Дать описание основных линий, точек, фаз и структурных составляющих диаграммы состояния железо – цементит.

3. Вычертить диаграмму состояния в масштабе с принятым обозначением точек, температур, концентраций углерода и обозначить структуры во всех областях диаграммы.

4. Научиться определять концентрации углерода в фазах при различных температурах и количественные соотношения фаз, используя правило отрезков.

5. Построить кривые охлаждения заданных сплавов с применением правила фаз, занести номера критических точек, числа степеней свободы, структуры на каждом участке кривой и превращения на горизонтальных участках.

 

Основы теории

Наиболее распространенными металлическими материалами являются сплавы железа и углерода – стали и чугуны. В сталях содержится менее 2,14%С, а в чугунах – более 2,14%С. Диаграмма железо – углерод показывает фазовый состав и структуру железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов).

Рассмотрим компоненты системы железо – углерод и их взаимодействие.

Компоненты – вещества, образующие систему:

1. Железо – металл сероватого цвета, температура плавления 1539 ºС, плотность 7,68 г/см³. Железо имеет четыре модификации: α, β, γ и δ.

При температурах ниже 911ºС кристаллическая решетка железа – объемно центрированный куб (ОЦК). Эту модификацию называют α-железо. До температуры 768 ºС (точка Кюри) α-железо магнитно, выше – немагнитно. Его называют β – немагнитным или β – железом.

При нагреве железа объемно центрированная кубическая решетка при 911 ºС перестраивается в гранецентрированную кубическую (ГЦК). Эта модификация существует до 1392 ºС и называется γ-железом.

Выше 1392°С и до температуры плавления вновь устойчивой является ОЦК решетка – δ-железо.

2. Углерод – неметаллический элемент, плотность 2,5 г/см³, температура плавления 3500 ºС. В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме графита.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, может образовывать химическое соединение – цементит.

Практическое значение имеет часть диаграммы от железа до цементита, называется также диаграммой железо – цементит (Fе – Fe₃C).

Фазы. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую строение, состав и свойства изменяются скачкообразно. В системе железо – углерод различают следующие фазы: жидкий расплав, феррит, аустенит, цементит; рассмотрим подробнее.

1. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе (рис. 2.1, а).

а

Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, а также в вакансиях, на дислокациях и т.д. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: при комнатной температуре (точка Q) – 0,006 %, максимальную – 0,02 %С при температуре 727^oС (точка P). В высокотемпературном феррите максимальное содержание углерода (0,1%) наблюдается при температуре 1499°С (точка Н диаграммы).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок и пластичен, магнитен до 768^o С.

б

При 0,006 %С: s_в = 250 МПа, s_0,2 = 120 МПа, d = 50%, 80–100НВ.

2. Аустенит – твердый раствор углерода в g-железе (рис. 2.1, б).

Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. Предельная растворимость углерода в g-железе – 2,14% при температуре 1147 ºС (точка Е).

3. Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe₃C.

В цементите содержится 6,67% (концентрация углерода при изменении температуры остается неизменной, в отличие от твердых растворов). Имеет сложную ромбическую решетку. Цементит – неустойчивое химическое соединение и в определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Цементит самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов (твердость ≈ 800 НВ, δ=0%).

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

4. Жидкий расплав. Углерод растворяется в железе в жидком состоянии, образуя однородный жидкий расплав.

 

Кристаллизация сплавов

Рассмотрим диаграмму железо-цементит (рис. 2.2).

ABCD – линия ликвидус, ниже которой происходит кристаллизация сплавов.

AHJECF – линия солидус, линия окончания кристаллизации.

При содержании углерода в сплаве менее 0,51% кристаллизация начинается с выделения d-феррита; при 0,51 < %С < 4,3 с выделения аустенита; кристаллизация сплавов, содержащих 4,3 < %С < 6,67 начинается с выделения из расплава кристалликов цементита первичного.

В сплавах, содержащих до 0,1% С, кристаллизация заканчивается при температурах, соответствующих линии AH, с образованием d-феррита.

Сплавы, содержащие 0,1 < %С < 0,51 при температуре 1499°С испытывают перитектическое превращение:

Ж_B + Ф_Н ® А_J

Линия HJB – линия перитектических превращений.

При содержании углерода от 0,1% до 0,16%, то есть между т. Н и т. J, недостаточно жидкости для реакции со всем имеющимся количеством феррита. Поэтому после окончания реакции остается избыточный феррит, который с понижением температуры вплоть до линии JN переходит в аустенит.

При содержании углерода от 0,16%, до 0,51%, то есть между т. J и В, количество феррита недостаточно для реакции со всем имеющимся количеством жидкости. Поэтому после окончания реакции остается избыточная жидкость, которая с понижением температуры вплоть до линии солидус JE кристаллизуется в аустенит.

Сплавы, содержащие до 2,14%С, называются сталью, а более 2,14% С – чугуном. Принятое разграничение совпадает с предельной растворимостью углерода в аустените. Стали после затвердевания имеют аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали при повышенных температурах легко деформируются и в отличие от чугуна являются ковкими сплавами.

Рис. 2.2. Диаграмма состояния железо – углерод.

Особенность первичной кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 2,14% заключается в том, что она заканчивается эвтектическим превращением при t = 1147°С:

Ж_C®А_Е+Ц_F

Эвтектический сплав (4,3% С) затвердевает при постоянной температуре с образованием эвтектики – ледебурита – механической смеси аустенита и цементита.

В до- и заэвтектических чугунах первичная кристаллизация начинается с выделения избыточной фазы, соответственно аустенита или цементита. По мере выделения избыточной фазы состав жидкости, изменяясь по линии ликвидус, приближается к составу эвтектики. На линии ECF жидкая фаза в любом сплаве имеет эвтектический состав (4,3% С), поэтому линия ECF называется линией эвтектических превращений.

Ледебурит имеет сотовое (пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита) или пластинчатое (тонкие пластины цементита, разделенные аустенитом – образуется при быстром охлаждении) строение. Сотовое и пластинчатое строение нередко сочетается в одной колонии.

Ледебурит хрупок, тверд (700НВ) и плохо обрабатывается резанием.

По сравнению со сталями чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами (низкой температурой плавления, имеют меньшую усадку).

 

Фазовые и структурные изменения после затвердевания

связаны с полиморфизмом железа, изменением растворимости углерода в аустените и феррите с понижением температуры и эвтектоидным превращением.

В доэвтектоидных сплавах (%С < 0,8%) ниже линии GOS g-решетка аустенита перестраивается в a-решетку, что и приводит к образованию феррита, линия GOS называется линией ферритных превращений. В температурной области PGS по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, они растут, поглощая зерна аустенита.

По мере выделения феррита состав аустенита изменяется по линии ферритных превращений, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK (727 ºС), где происходит эвтектоидное превращение. Эвтектоидное превращение заключается в распаде аустенита на механическую смесь феррита и цементита. Перлит – механическая смесь феррита и цементита. Линия PSK – линия эвтектоидных превращений.

А_s®Ф_р+Ц_к

После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру: феррит + перлит. Чем больше углерода, тем меньше феррита и больше перлита.

Сплавы с содержанием углерода менее 0,02% называются техническим железом. Ниже линии GP существует только феррит. С понижением температуры растворимость углерода в a-железе уменьшается в соответствии с линией PQ – линией предельной растворимости углерода в a-железе. Из феррита выделяется цементит третичный. Точка Р соответствует максимальной растворимости углерода в a-железе – 0,02%.

Линия МО – линия магнитных превращений. Сталь при нагреве становится немагнитной, никаких структурных изменений при этом не происходит.

В заэвтектоидных сталях (0,8 < %С < 2,14) вследствие уменьшения растворимости углерода в g-железе с понижением температуры выделяется избыточная фаза – вторичный цементит. Превращение аустенита начинается в соответствии с линией ES – линией цементитных превращений (или предельной растворимости углерода в g-железе).

По мере выделения цементита состав аустенита изменяется по линии ES, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK, где происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит.

После окончательного охлаждения заэвтектоидные сплавы имеют структуру: цементит + перлит.

В эвтектоидной стали (0,8%С) весь аустенит переходит в перлит. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Толщина пластинок 7,3:1. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение.

Перлит с пластинчатым цементитом обладает твердостью 200 – 230 НВ, пределом прочности 800 – 900 МПа, относительным удлинением 10%.

В доэвтектических чугунах ниже 1147°С происходит частичный распад аустенита – как первичных его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в состав ледебурита (вследствие уменьшения растворимости углерода в соответствии с линией SE).

При 727°С аустенит, обедненный углеродом до 0,8%, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны, после окончательного охлаждения имеют структуру перлит + цементит вторичный + ледебурит, где ледебурит – механическая смесь перлита и цементита. Эвтектический чугун состоит только из ледебурита (перлит + цементит). Заэвтектический чугун содержит углерода больше 4,3% и после затвердевания его структура – цементит + ледебурит.

Фазовый состав всех сплавов при температуре ниже 727°С одинаков; они состоят из феррита и цементита[1]. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо – цементит является их структура.

 

Построение кривых охлаждения

При построении кривых охлаждения необходимо пользоваться правилом фаз: с=k – f + 1,

где с – вариантность системы (число степеней свободы), k – число компонентов, f – число фаз.

Количество компонент в данной системе всегда равно 2 – это железо и углерод.

Количество фаз находят используя диаграмму (рис. 2.2).

Не следует путать фазы со структурными составляющими, так как последние могут быть однофазными и многофазными, а одна и та же фаза может входить в разные составляющие. Например, в доэвтектических чугунах при комнатной температуре цементит вторичный, цементит перлита и цементит ледебурита является одной и той же фазой. Структура этого чугуна – перлит + ледебурит + цементит, а фазовый состав – феррит + цементит. Рассуждения: перлит это двухфазная структурная составляющая, состоящая из феррита и цементита; ледебурит при комнатной температуре состоит из перлита и цементита, в свою очередь, перлит сам по себе тоже неоднороден и является смесью феррита и цементита; а структурная составляющая цементит – однофазна. Схематично эти рассуждения можно представить следующим образом:

Зная количество фаз и количество компонент, можно определить число степеней свободы. На линиях эвтектического, эвтектоидного и перитектического превращений система Fе – Fе₃С находится в трехфазном состоянии, которое согласно правилу фаз является для двухкомпонентных систем нонвариантной: C=2-3+1=0. Все превращения при С = 0 происходят при постоянных температурах, и на кривой охлаждения они характеризуются горизонтальным участком.

В двухфазных областях диаграммы системы являются моновариантным:
С = 2-2+1=1, в связи с чем превращения в сплавах в этих областях происходят в интервале температур. Выделение скрытой теплоты кристаллизации замедляет темп снижения температуры, поэтому участки кривых охлаждения в таких случаях будут пологими (с меньшим наклоном). Начало и конец превращений, когда изменяется вариантность системы, фиксируют на кривых охлаждения перегибами.

В однофазных областях системы биварианты: C=2-1+1=2. При этом с изменением температуры никаких превращений не происходит, и на кривых охлаждения будут крутые участки (с большим наклоном).

Кривые охлаждения необходимо строить, начиная с жидкого состояния. На каждом участке кривой должны быть обозначены число степеней свободы
(С = ...) и структуру. На горизонтальных участках обозначают превращения, например, А→Ф+Ц.

На рис. 2.3 приведен пример построения кривой охлаждения заэвтектоидной стали содержащей 1,5%С.

Выше линии ликвидус сплав находится в жидком однофазном состоянии. В соответствии с правилом фаз (С=2-1+1=2, фаза - жидкий раствор) система в этой области бивариантна, фазовых превращений не происходит, и температура до точки 1 снижается достаточно интенсивно (крутой участок кривой охлаждения).

В точке 1 начинается процесс первичной кристаллизации, продолжающийся до точки 2, из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита. По мере охлаждения сплава от точки 1 до точки 2 концентрация компонентов в аустените изменяется согласно линии JЕ от точки J к точке 2, а в жидкости – согласно линии BC от точки 1 к точке 2¢ (рис. 2.3). Составы и количества фаз определяют по правилу отрезков. Например, в точке m состав жидкой фазы найдем проекцией точки n на ось концентраций, а состав твердой фазы – проекцией точки k.

2΄

Рис. 2.3. Диаграмма состояния Fe – C и кривая охлаждения для стали,
содержащей 1,5%С.

 

Количество фаз определяют из соотношения отрезков:

Процесс первичной кристаллизации в данном случае идет при понижении температуры, что согласуется с правилом фаз (С=2-2+1=1; фазы - жидкий раствор и аустенит). Таким образом, система в этой области моновариантна, в процессе превращения выделяется скрытая теплота кристаллизации, замедляющая снижение температуры, поэтому участок кривой охлаждения будет пологим. Первичная кристаллизация сплава заканчивается в точке 2.

В интервале между точками 2 и 3 сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений. Система при этом бивариантна (C=2-1+1=2; фаза -
аустенит), участок кривой охлаждения будет крутым.

При температуре, соответствующей точке 3, достигается предел насыщения аустенита углеродом. Ниже этой точки аустенит становится перенасыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и здесь выделяется в виде вторичного цементита. Процесс кристаллизации вторичного цементита, в соответствии с правилом фаз, протекает с понижением температуры сплава (С=2-2+1=1; фазы - аустенит и цементит). Таким образом, система моновариантна, выделяющаяся скрытая теплота кристаллизации замедляет снижение температуры, и участок кривой охлаждения будет пологим. Концентрация углерода в аустените при этом изменяется согласно линии ES от точки 3 к точке S и достигает эвтектоидной (0,8%С) при температуре 727°С (точка 4). При этой температуре и концентрации аустенит превращается в перлит (эвтектоидное превращение):

А_s®Ф_р+Ц_к

Согласно правилу фаз при эвтектоидном превращении система нонвариантна (С=2-3+1=0; фазы - аустенит, цементит, феррит), процесс идет при постоянной температуре, и на кривой охлаждения будет горизонтальный участок.

Ниже температуры 727°С в рассматриваемом сплаве практически не происходит превращений. По теоретическим данным, из феррита выделяется третичный цементит, вследствие чего система будет моновариантной
(С=2-2+1=1; фазы – феррит и цементит). Но феррит здесь содержится только в составе перлита, третичный цементит выделяется в незначительном количестве и металлографически не обнаруживается, так как сливается с цементитом перлита. Таким образом, в структуре стали данного состава при комнатной температуре наблюдаются зерна перлита, окаймленные тонкой сеткой вторичного цементита.

Превращения в сплавах в процессе нагрева происходят в обратной последовательности при некотором их перегреве выше температур равновесного состояния.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Укажите линии и диаграммы, приведите их названия.

2. Что представляет собой каждая из структурных составляющих: аустенит, феррит, цементит, перлит, ледебурит?

3. Что представляет собой перитектическое превращение?

4. Что представляет собой эвтектическое превращение?

5. Что представляет собой эвтектоидное превращение?

6. Как взаимодействует углерод с железом?

7. Какое максимальное процентное содержание углерода может быть в α-, γ-, δ-железе?

8. В чем причина выделения вторичного и третичного цементита по мере понижения температуры?

9. Расскажите и покажите, как определяется концентрация углерода в аустените при различных температурах в заэвтектоидных сталях и доэвтевктических чугунах.

10. Какое изменение происходит в ледебурите на линии РSК?

Лабораторная работа 3