Изучение и анализ железоуглеродистых сплавов с использованием диаграммы состояния железо-цементит.

Задание № __

1. Начертить в масштабе диаграмму состояния Fe - Fe₃C, обозначить области существования фаз и описать структурные составляющие.

2. Построить кривую охлаждения и описать структурные превращения для заданного состава сплава 0,6 %С, по структурному треугольнику определить соотношение фаз.

3. Расшифровать марки заданных сплавов, указать химический состав, механические свойства и назначение сплавов.

 

1. Диаграмма состояния Fe - Fe₃C,описание структурных составляющих

 

 

В сплавах железо – углерод существуют следующие фазы: жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита..

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф или α) – твердый раствор внедрения углерода в a-железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727^oС (точка P). Значительная доля атомов углерода размещается на дефектах решетки.

При температуре выше 1392^o С существует высокотемпературный феррит (d), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499 ^oС (точка J). Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности s_В=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение 30%), магнитен до 768^o С.

3. Аустенит (А или γ) – твердый раствор внедрения углерода в g-железо. Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727 ^oС (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147 ^oС (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение 40-50%), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит – (Ц), – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C), содержит 6,67 % углерода. Обладает высокой прочностью и малой прастичностью.

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом (Л). Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой Ж_С→ (А_Е + Ц_F) → Л. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь, состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом (П). Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_S → (Ф_Р + Ц_К) → П.

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,006% углерода (точка Q), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,006 до 0,02% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали (содержание углерода С ˂ 0,8%) при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит + перлит, эвтектоидные (С = 0,8%) состоят только из перлита и заэвтектоидные С ˃ 0,8%) – перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах (содержание углерода С ˂ 4,3%) в интервале температур 1147–727 ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727 ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращается в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита, превратившегося в перлит + цементит.

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

 

2. Построить кривую охлаждения и описать структурные превращения для заданного состава сплава 0,6 %С, по структурному треугольнику определить соотношение фаз

Сплав железа с углеродом, содержащий 0,6% С (конструкционная сталь 60), является доэвтектоидной сталью. Структура при комнатной температуре – Аустенит + Перлит

Рисунок 2 – Кривая охлаждения стали 60

Для Стали 60

1–2 (1460-1400)– первичная кристаллизация, образование аустенитной структуры

2–3 (1400-790) – охлаждение твердого сплава (превращений нет)

3–4 (790-727) – вторичная кристаллизация; 3 – образование насыщенного твердого раствора углерода в Fe_a. Понижение температуры приводит к диффузии избыточного углерода к граница зерен, в результате на границах образуются зоны с высоким содержание углерода, которые превращаются в Ц.

4–4' (727) – эвтектоидное превращение А в П; 4' – конец превращения; t = 727° C =const.

Ниже 4' – остывание сплава, идет процесс третичной кристаллизации, выпадение Ц_III из феррита (теоретически), фазовый состав Феррит + Перлит