Методические указания к выполнению контрольной работы №1 по дисциплине «Материаловедение и технология материалов»

_т,°с

А) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «свинец Pb – олово Sn» (рис. П.5). Указать основные линии, точки, а также структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 20% олова Sn, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении фазовые превращения. Для данного сплава оп­ределить количественное соотношение структурно-фазовых составляющих и их состав при температуре 250ºC и схематично изобразить его структуру.

350

327°С

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% Sn

РЬ 100% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов системы «свинец Pb - олово Sn»

Диаграмма состояния сплавов системы «свинец Pb - олово Sn» (рис. 1) относится к разновидности диаграмм состояния двойных сплавов III типа, является диаграммой состоя­ния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твёрдом состоянии (диаграмма состоя­ния сплавов с переменной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии). По внешнему виду диаграмма похожа на диаграмму состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии. Отличие только состоит в том, что линии предельной растворимости компонентов не перпендикулярны оси концентрации. На диаграмме имеются области, в которых из однородных твёрдых растворов при понижении температуры выделя­ются вторичные фазы. Поэтому данный тип диаграммы характерен для сплавов, образующих при сплавлении компонентов твёрдые растворы, имеющих ограниченную взаимную раство­римость друг в друге, изменяющуюся с изменением температуры.

Основные линии диаграммы:

ACB — линия ликвидус, линия начала процесса кристаллизации;

ADCEB — линия солидус, линия конца процесса кристаллизации;

27

Dm — линия переменной предельной растворимости олова Sn в свинце Pb;

En — линия переменной предельной растворимости свинца Pb в олове Sn;

DCE — линия кристаллизации эвтектики (T = 183ºC).

Основные точки диаграммы:

A — температура кристаллизации чистого свинца Pb (T = 327ºC);

B — температура кристаллизации чистого олова Sn (T = 232ºC);

C — температура кристаллизации эвтектического сплава 62% Sn + 38% Pb (T = 183ºC);

D — максимальная предельная растворимость олова Sn в свинце Pb (13% олова Sn в 87% свинца Pb при T = 183ºC);

E — максимальная предельная растворимость свинца Pb в олове Sn (4% свинца Pb в 96% олова Sn при T = 183ºC).

На диаграмме условно обозначены следующие фазы:

α — твёрдый раствор олова Sn в основном компоненте-растворителе свинце Pb;

β — твёрдый раствор свинца Pb в основном компоненте-растворителе олове Sn.

Из данной диаграммы видно, что с понижением температуры растворимость олова Sn в свинце Pb и, соответственно, свинца Pb в олове Sn (линии Dm и En соответственно) умень­шаются. Вследствие этого из твёрдых растворов выделяются избыточные фазы, то есть в сплаве образуются равномерно распределённые зоны, содержащие избыточное количество растворённого компонента. Таким образом, из α-твёрдого раствора, например, выделяются вторичные кристаллы β-твёрдого раствора (β _II) переменного состава; из β-твёрдого раствора — вторичные кристаллы α-твёрдого раствора (α_II). Составы этих вторичных кристаллов оп­ределяются соответственно линиями Dm и En.

Причинами выделения вторичных фаз (α_II и β_II) в сплавах в твёрдом состоянии при понижении температуры являются:

1. изменение параметров кристаллических решёток основных компонентов-растворителей;

2. изменение типов кристаллических решёток сплавляемых компонентов при пониже­нии температуры (полиморфное превращение), что приводит к изменению растворяющей способности.

Сплавы составов левее точки m состоят из однородного α-твёрдого раствора — твёрдо­го раствора олова Sn в основном компоненте-растворителе свинце Pb, а сплавы стоящие пра­вее точки n — из однородного β-твёрдого раствора — твёрдого раствора свинца Pb в основ­ном компоненте-растворителе олове Sn.

Сплавы составов от точки m до точки d имеют микроструктуру, состоящую из кристал­лов α-твёрдого раствора переменного состава и вторичных кристаллов β _II-твёрдого раствора, а от точки e до точки n — из кристаллов β-твёрдого раствора переменною состава и вторич­ных кристаллов α _II-твёрдого раствора.

На диаграмме также можно выделить следующие сплавы:

Эвтектический сплав (эвтектика). На диаграмме данный сплав соответствует проек­ции точки С на ось концентраций, содержит 62% олова Sn и 38% свинца Pb. Этот сплав на­чинает кристаллизоваться при самой низкой температуре 183ºC среди всех сплавов рассмат­риваемой системы; имеет при понижении температуры постоянный количественный состав компонентов; структура его в твёрдом состоянии представляет собой мелкодисперсную ме­ханическую смесь кристаллов α- и β-твёрдых растворов переменного состава.

28

Доэвтектические сплавы, имеющие состав от точки d до точки c состоят из первичных кристаллов α-твёрдого раствора, эвтектики (α + β) и мелких вторичных кристаллов β _II-твёрдого раствора, выделившихся из твёрдой фазы при понижении температуры. Первич­ные кристаллы α-твёрдого раствора равномерно распределены в эвтектике (α + β). Доэвтек­тические сплавы начинают кристаллизоваться с выделения из жидкой фазы кристаллов α-твёрдого раствора переменного состава (область диаграммы ADC, лежащая между линия­ми ликвидус и солидус).

Заэвтектические сплавы, имеющие состав от точки c до точки e, состоят из первичных кристаллов β-твёрдого раствора, эвтектики (а + β) и мелких вторичных кристаллов α _II-твёрдого раствора, выделившихся из твёрдой фазы при понижении температуры. Первич­ные кристаллы β-твёрдого раствора равномерно распределены в эвтектике (α + β). Заэвтектические сплавы начинают кристаллизоваться с выделения из жидкой фазы кристаллов β-твёрдого раствора переменного состава (область диаграммы CEB, лежащая между линиями ликвидус и солидус).

Таким образом, в структурно-фазовом составе сплавов рассматриваемой системы важ­ное место занимает эвтектика, представляющая собой смесь мелкодисперсных фаз α и β. Она имеет постоянный количественный состав компонентов (Pb и Sn) и кристаллизуется при наименьшей для данной системы сплавов температуре t_э = 183ºC, т. е. температуре, соответ­ствующей линии DCE. Ниже этой линии находится область двухфазных сплавов.

Выше линии ликвидус (линии ACB) сплавы представляют собой жидкие фазы — неог­раниченные растворы компонентов (свинца Pb и олова Sn) друг в друге в жидком состоянии.

Для диаграмм состояния сплавов III типа характерно то, что кристаллы сплавляемых компонентов в чистом виде ни в одном из сплавов системы не присутствуют.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава, содержащего 80% Pb и 20% Sn (рис. 2, 3).

Т,°С

350

327°С

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100%SnРЬ 100% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Кривая охлаждения двойногоt, МИН

сплавa «80%Pb+20%Sn»

Рис. 2. Построение кривой охлаждения сплава «80% Pb + 20% Sn»

29

Рис. 3. Кривая охлаждения сплава «80% Pb + 20% Sn»

Построение кривой охлаждения сплава «80% Pb + 20%Sn» проводится в следующей последовательности:

а) через точку оси абсцисс, соответствующую составу сплава «80% Pb + 20%Sn», про­водится вертикаль — линия сплава (рис. 1, 2);

б) точки пересечения линии сплава с линиями диаграммы обозначаются цифрами (рис. 2). Это — критические точки, указывающие критические температуры начала и кон­ца процесса кристаллизации, перекристаллизации (если она имеется) данного сплава;

в) в соответствии с выявленными критическими температурами строится кривая охла­ждения сплава в координатах «температура - время» (рис. 2, 3).

Согласно представленной на рис. 3 кривой охлаждения при кристаллизации сплава «80% Pb + 20%Sn» происходят следующие структурно-фазовые превращения.

При температуре выше точки 1 (T = 295ºC) сплав находится в жидком состоянии (жид­кая фаза) и представляется собой неограниченный раствор компонентов (Pb и Sn) друг в дру­ге. Соответственно, точка 1, лежащая на линии ликвидус A C, — температура начала кри­сталлизации данного сплава.

При охлаждении сплава ниже температуры точки 1 из жидкой фазы начинают выде­ляться кристаллы α-твёрдого раствора — кристаллы твёрдого раствора олова Sn в основном компоненте-растворителе свинце Pb состава, соответствующему абсциссе точки a, лежащей на линии солидус (линии ADCEB) диаграммы. Таким образом, при понижении температуры количественный состав выделяющихся из жидкой фазы первичных кристаллов α-твёрдого раствора изменяется по линии AD от точки A до D. При этом характер хода кривой охлажде­ния изменяется, процесс охлаждения замедляется,

что вызвано выделением скрытой теплоты кристаллизации при образовании кристаллов α-твёрдого раствора из жидкой фазы. Поэтому на кривой охлаждения наблюдается излом (участок 1 - 2). Фазовый состав сплава

30

на участке 1 - 2 кривой охлаждения — жидкая фаза + первичные кристаллы α-твёрдого раствора.

При достижении температуры точки 2 (T = 183ºC, линия DCE диаграммы) возникает нонвариантная система (количество степеней свободы системы C = 0). То есть количество независимых внутренних и внешних параметров системы (температура, давление, концен­трация), которые можно произвольно изменять без изменения количества фаз (равновесия) в системе, равно нулю. В данном случае при T = 183ºC (точка 2) в равновесии находятся одно­временно три фазы:

1. жидкая фаза, соответствующая количественному составу точки C диаграммы (62% Sn + 38% Pb);

2. кристаллы α-твёрдого раствора, количественного состава, соответствующего точке D диаграммы (13% Sn + 87% Pb);

3. кристаллы β-твёрдого раствора, количественного состава, соответствующего точке E диаграммы (96% Sn + 4% Pb)

При температуре, соответствующей линии DCE — линии кристаллизации эвтектики (T = 183ºC), возникает эвтектическое превращение

LC → α d + β_E .

Трём фазам соответствуют определённые количественные составы компонентов, ха­рактеризующиеся проекциями точек D, C и E, хотя температура их превращения постоян­на.

При кристаллизации сплава между точками 2 и 2′ (T = 183ºC) кроме первичных кри­сталлов α-твёрдого раствора, образуется также эвтектика (α + β) — мелкодисперсная меха­ническая смесь кристаллов α- и β-твёрдого раствора, количественного состава (62%Sn + 38% Pb). Температура кристаллизации эвтектики постоянна, независимо оттого, что допол­нительной теплоты от внешней среды не поступает. Причиной постоянства температуры кристаллизации эвтектики также является выделение скрытой теплоты кристаллизации. В точке 2 эвтектика полностью находится ещё в жидком состоянии, между точками 2 и 2′ — в жидком и твёрдом состояниях, в точке 2′ — полностью в твёрдом состоянии. На участке 2 - 2′ кривой охлаждения фазовый состав сплава — первичные кристаллы α-твёрдого рас­твора, эвтектика (α + β) и жидкая фаза. В точке 2′ сплав полностью переходит в твёрдое со­стояние.

При дальнейшем охлаждении сплава ниже точки 2′ из первичных кристаллов α-твёрдого раствора выделяются вторичные кристаллы β_II-твёрдого раствора. При обычных температурах кристаллы α-твёрдого раствора сплава имеют количественный состав компо­нентов, соответствующий точке m диаграммы (2,5%Sn + 97,5% Pb), а кристаллы β_II-твёрдого раствора — соответствующий точке n диаграммы (99%Sn + 1% Pb). Причиной выделения вторичных кристаллов β_II-твёрдого раствора из α-твёрдого раствора являются: 1) изменение параметров кристаллической решётки компонента-растворителя (свинца Pb), что приводит к снижению его растворяющей способности; 2) структурно-фазовые (полиморфные) превра­щения кристаллических решёток сплавляемых компонентов, что также приводит к сниже­нию их взаимной растворимости друг в друге.

Окончательно охлаждённый сплав содержит только две фазы — кристаллы

31

α-твёрдого раствора и кристаллы β-твёрдого раствора. Каждый из этих видов кристаллов содержится как в мелкодисперсном состоянии в составе эвтектики (α + β), так и в виде более крупных фаз — α и β, равномерно распределённых по объёму сплава.

Для определения количественного соотношения структурно-фазовых составляющих при температуре 250ºC для сплава, содержащего 20% Sn и 80%

Pb, надо воспользоваться «правилом отрезков».

Для этого в замкнутой области ADC диаграммы на уровне температуры 250ºC проведём горизонтальную линию — коноду abf (рис. 1). Данная линия пересекает вертикальную ли­нию, характеризующую состав сплава (линию сплава), в точке b.

Количество твёрдой фазы Q_тв. (количество выпавших кристаллов α-твёрдого раствора) при T = 250ºC определим из соотношения:

bf 18

Q _me = — х 100% = — х 100% = 58,06% .

af 31

Таким образом, количество твёрдой фазы Q_тв. определяется отношением длины отрезка горизонтали (коноды), прилегающего к линии ликвидус ACB, ко всей длине горизонтали.

Количество жидкой фазы Q_ж при T = 250ºC определим из соотношения:

bf 13

Q_ж = — х 100% = — х 100% = 41,94%. af 31

Количество жидкой фазы Q_ж определяется отношением длины отрезка горизонтали (коноды), прилегающего к линии солидус ADCEB, ко всей длине горизонтали.

Количественный состав выделяющихся при кристаллизации сплава первичных кри­сталлов α-твёрдого раствора при T = 250ºC определяется абсциссой точки a — 8% Sn + 92% Pb.

Количественный состав жидкой фазы при T = 250ºC определяется абсциссой точки f — 38% Sn + 62% Pb.

Количество образующейся эвтектики при T = 183ºC в точке 2′ составит:

Dp 7

Q_эвт = — х 100% = — х 100% = 14,3%

DC 49

Количество образующихся первичных кристаллов α-твёрдого раствора при T = 183ºC составит:

pC 42

Q_тв.= — х 100% = — х 100% = 85,7%

DC 49

32

Рис. 4. Микроструктура сплава «80% Pb + 20% Sn»

33

Б) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «железо Fe-углерод C» (рис. П.7). Указать основные линии, точки и структурно-фазовый состав всех областей диаграм­мы. Для сплава, содержащего 1,2% углерода C, построить кривую охлаждения и опи­сать происходящие при охлаждении структурно-фазовые превращения. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

34

На диаграмме железоуглеродистых сплавов (рис. 5) нанесены сплошные и пунктирные линии. Это связано с тем, что углерод в сплавах может находиться как в свободном виде (в виде графита), так и в виде химического соединения (цементита Fe₃C). Поэтому, диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов может быть:

1. система «Fe-Fe₃C» (метастабильная);

2. система «Fe-C» (стабильная).

Характерные точки диаграммы:

А (Т= 1539ºC) — температура плавления чистого железа Fe;

В (Т= 1493ºC; 0,5%С) — состав жидкой фазы при перитектической реакции;

J (Т= 1493ºC; 0,18%С) — состав аустенита при перитектической реакции;

Н (Т= 1493ºC; 0,1%С) — состав феррита при перитектической реакции;

N (Т= 1392ºC) — температура полиморфного превращения железа Fe_α ↔ Fe_γ;

С (Т= 1147ºC; 4,3%С) — состав эвтектики (ледебурит = аустенит + цементит);

D (Т= 1600ºC; 6,67%С) — условная температура плавления цементита Fe3С;

Е (Т= 1147ºC; 2,14%С) — предельная растворимость углерода в γ-железе Fe;

G (Т= 911ºC) — температура полиморфного превращения железа Fe_γ ↔ Fe_α;

S (Т= 727ºC; 0,80%С) — состав эвтектоидного сплава (перлит = феррит + цементит);

Р (Т= 727ºC; 0,02%С) — предельная растворимость углерода в α-железе Fe_α;

К (Т= 727ºC; 6,67%С) — состав цементита;

Q (Т= 20ºC; 0,006%С) — минимальная растворимость углерода в железе.

Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо Fe, углерод C и цементит Fe₃C.

Железо Fe — переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую темпера­туру плавления — 1539^oС ± 5^oС.

В твёрдом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911ºС и 1392ºС. При температуре ниже 911ºС существует α-железо (Fe_α), обладающее объёмно-центрированной кубической решёткой. В интервале температур 911÷1392ºС устойчивым является γ-железо (Fe_γ), обладающее гранецентрированной кубической решёткой. Выше 1392ºС железо имеет объёмно-центрированную кубическую решётку и называется (δ-железо (Fe_δ) или высокотемпературное a-железо (Fe_a). Высокотемпературная модификация α-железа (Fe_α) не представляет собой но­вой аллотропической формы. Критическую температуру 911ºС превращения Fe_α ↔ Fe_γ обо­значают точкой А3, а температуру 1392ºС превращения Fe_δ ↔ Fe_γ — точкой А4.

35

При температуре ниже 768ºС железо ферромагнитно, а выше — парамагнитно. Точка Кюри железа 768ºС обозначается А2.

Железо технической чистоты обладает невысокой твёрдостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности — σ_В = 250 МПа, предел текучести — σ_Т = 120 МПа) и высокими характе­ристиками пластичности (относительное удлинение — δ = 50%, а относительное сужение — ψ= 80%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зер­на.

Железо характеризуется высоким модулем упругости Е, которым характеризуются и сплавы на его основе, благодаря чему обеспечивается высокая жёсткость и прочность дета­лей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами — твёрдые растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом — твёрдые растворы внедрения.

Углерод С относится к неметаллам. Он обладает явлением полиморфизма. В зависимо­сти от условий образования углерод может существовать в форме графита с гексагональной слоистой кристаллической решёткой (температура плавления — 3500ºС, плотность — ρ = 2,25 г/см) или в форме алмаза со сложной кубической решёткой с координационным числом k = 4 (температура плавления — 5000ºС). Графит является мягким материалом и об­ладает низкой прочностью. Однако с увеличением температуры прочность графита аномаль­но растёт: при 20ºC σ_В = 20 МПа, а при 2500ºC σ_В = 40 МПа. При 2500ºC графит прочнее всех тугоплавких металлов.

В сплавах с железом углерод образует либо твёрдые растворы внедрения, либо химиче­ское соединение — цементит Fe₃C. Также углерод может находиться в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

В случае образования твёрдых растворов растворимость углерода в железе зависит от его кристаллической структуры. Размеры пор ОЦК кристаллической решётки значительно меньше, чем размеры пор ГЦК решётки. Поэтому α-железо (Fe_α) способно растворять угле­род в очень малом количестве, а растворимость углерода в γ-железе (Fe_γ) значительно боль­ше.

В системе железо - углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аусте-нит, цементит, графит.

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

Феррит (Ф) — твёрдый раствор внедрения углерода в a-железе Fe_α.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02% при температуре 727ºС (точка P). Углерод располагается в дефектах кристаллической решётки железа.

При температуре выше 1392ºС существует высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода С (0,1%) в δ-железе Fe_δ при температуре 1499ºС (точка H).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твёрдость — 130 НВ, предел прочности — σ_в = 300 МПа) и пластичен (относительное удлинение — δ = 30%), обладает магнитными свойствами до 768ºС.

Аустенит (А)— твёрдый раствор внедрения углерода С в γ-железе Fe_γ.

В аустените углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,8% при температуре 727ºС (точка S), максимальную — 2,14% при температуре 1147ºС (точка Е).

36

Аустенит имеет твёрдость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение его со­ставляет — δ = 40… 50%), обладает парамагнитными свойствами.

И в феррите и в аустените могут растворяться многие легирующие элементы, образуя твёрдые растворы замещения и резко изменяя их свойства. Кроме того, легирование может значительно изменять температурные границы существования фаз.

Цементит (Ц) (Fe₃C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержащее 6,67% углерода С.

Цементит не испытывает полиморфных превращений при изменении температуры. Кристаллическая решётка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (по разным данным она со­ставляет 1250ºС или 1550ºС). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен. Магнитные свойства он теряет при температуре около 217ºС.

Цементит имеет высокую твёрдость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но очень низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решётки цементита. Цементит способен образовывать твёрдые растворы замещения. Атомы углерода C могут замещаться атомами неметаллов: азотом N, кислородом O; атомы железа Fe — металлами: марганцем Mn, хромом Cr, вольфрамом W и др. Такой твёрдый раствор на базе решётки цементита получил название легированный це­ментит.

Цементит — соединение неустойчивое и при нагреве распадается с образованием сво­бодного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В железоуглеродистых сплавах выделяют три вида цементита в зависимости от темпе­ратуры образования: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третич­ный (Ц_III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механиче­ские свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих фаз в сплавах. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки во­круг зёрен аустенита (при охлаждении — вокруг зёрен перлита). Цементит третичный выде­ляется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ зёрен феррита.

Характерные линии и области диаграммы

ABCD — линии ликвидус — линия начала процесса кристаллизации Выше линии лик­видус (область I) сплав находится в жидком состоянии и представляет собой однородную систему — жидкий раствор.

AHJECF — линия солидус — линия завершения процесса кристаллизации. Сплавы, лежащие ниже этой линии, находятся в твёрдом состоянии. При температурах между линиями ликвидус и солидус происходит кристаллизация сплавов. В период кристаллизации одно­временно существуют две фазы — жидкий расплав и кристаллы твёрдых растворов.

37

Рассматривая линию ликвидус ABCD, можно отметить, что с увеличением содержания углерода С в железе до 4,3% температура плавления сплава понижается, а с дальнейшим по­вышением содержания углерода (участок CD) температура плавления сплава увеличивается.

На участке линии ликвидус АВ выделяются кристаллы δ-твёрдого раствора (ферри­та Ф), состав которых определяется линией АН. Состав жидкой фазы изменяется по ли­нии АВ. Предельную растворимость углерода (0,1%) в δ-железе Fe_δ (феррите Ф) при темпе­ратуре 1493°С показывает точка Н.

На участке АН заканчивается кристаллизация феррита Ф. На линии HJB при постоян­ной температуре 1499°С жидкая фаза, содержащая 0,5% С (точка В), реагирует с ранее вы­павшими кристаллами δ-твёрдого раствора (феррита Ф), что приводит к образованию кри­сталлов нового вида. Реакцию подобного вида называют перитектической (перитектическое превращение). В результате этой реакции образуются кристаллы аустенита А, содержащего 0,18% С (точка J):

L + Ф(δ) → А.

По линии HN начинается превращение феррита Ф(δ) в аустенит А, обусловленное по­лиморфным превращением железа. По линии NJ заканчивается превращение феррита Ф(δ) в аустенит А.

По линии ВС при понижении температуры из расплава выпадают кристаллы аустени­та А переменного состава, с меньшим содержанием углерода (от 0,5 до 2,14%), чем в жидкой фазе, из которой они выделяются. Изменение состава жидкой фазы с понижением темпера­туры происходит по линии ВС (линия ликвидус), а выпавших кристаллов — по линии JE (линия солидус). На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита А.

Таким образом, если сплавы содержат до 2,14% С, то их кристаллизация заканчивается при температуре выше 1147°С, где жидкая фаза обогащается углеродом до 4,3%. Одновре­менно из расплава выпадают кристаллы аустенита, содержащие 2,14% С (точка Е) и цемен­тита, содержащего 6,67% С (точка F).

На участке ECF при постоянной температуре 1147ºС идёт эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3% углерода превращается в эвтектиче­скую смесь аустенита А и цементита первичного Ц_І:

L₄,₃ → эвт. (А + Ц_I).

Ледебурит (Л) (точка С) — механическая эвтектическая смесь (эвтектика) кристаллов аустенита А и цементита Ц, содержащая 4,3% C. Эвтектика системы железо - цементит на­зывается ледебуритом Л, по имени немецкого учёного Ледебура.

Сплавы, лежащие праве точки С, т. е. содержащие от 4,3 до 6,67% С, кристаллизуются по линии CD. В процессе их кристаллизации выделяется первичный цементит Fe₃C (Ц_I). По мере образования из жидкого расплава первичного цементита (Ц _I) содержание углерода в жидкой фазе уменьшается.

При температуре 1147°С (линия CF) оставшийся расплав содержит 4,3% С и затверде­вает с образованием ледебурита (эвтектики). В результате окончательно затвердевший сплав (ниже линии CF) состоит из первичного цементита (ЦI) и ледебурита Л.

Сплавы, находящиеся левее точки С, т. е. содержащие до 4,3% С, называются доэвтектическими, а сплавы находящиеся правее от точки С, т. е. содержащие более 4,3% С, — заэвтектическими. Между линиями ликвидус ABCD и солидус AHJECF (области II и III) желе­зоуглеродистые сплавы состоят из жидкой и твёрдой фаз, причём с понижением температуру количество твёрдой фазы увеличивается.

38

Таким образом, непосредственно после окончания затвердевания структура доэвтектических сплавов состоит из аустенита А и ледебурита Л, структура эвтектического сплава — из ледебурита Л и структура заэвтектического сплава — из первичного цементита (Ц _I) и ле­дебурита Л.

Ниже линии солидус AHJECF в затвердевших сплавах при понижении температуры наблюдается дальнейшее изменение их структуры, связанное с перекристаллизацией в твёр­дом состоянии. Такие изменения называют вторичной кристаллизацией. С понижением тем­пературы железо переходит из одной модификации в другую (Fe_γ → Fe_α) и растворимость углерода в γ-железе Fe_γ и α-железе Fe_α заметно уменьшается.

По линии PSK при постоянной температуре 727ºС идёт эвтектоидное превращение, за­ключающееся в том, что аустенит А, содержащий 0,8% углерода С, превращается в эвтекто-идную смесь феррита Ф и цементита вторичного Ц_II:

А_0,83 → эвт. (Ф + Ц_II)

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твёрдом состоянии. Эвтектоид системы железо - цементит называется перлитом (П), он содержит 0,8% углерода С. Название такое эта фаза получила за то, что на полированном и протрав­ленном шлифе наблюдается перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий его образования.

Доэвтектические сплавы (до 2,14% С) в области IV состоят из одного аустенита А При охлаждении сплавов, содержащих менее 0,8% С (левее точки S), ниже линии GOS происхо­дит распад аустенита А с выделением из него избыточного феррита Ф, что обусловлено по­лиморфным превращением железа Fe. Так как феррит Ф, выделяющийся при охлаждении аустенита А по линии GOS, содержит не более 0,02% С (предельная растворимость углерода в α-железе Fe_α, точка Р), аустенит А несколько обогащается углеродом С, изменяя состав по линии GS. Кристаллы феррита изменяют свой состав по линии GOS.

Такой процесс протека­ет до температуры 727°С. В точке S при 0,8% С аустенит А распадается на твёрдую эвтектоидную механическую смесь кристаллов феррита Ф и цементита Ц, называемую перлитом П. Пользуясь правилом отрезков по диаграмме состояния, можно определить соотношение фер­рита Ф и цементита Ц в перлите при 727°С

Q_ф/Q_ц = SK/PS = (6,67 - 0,8)/0,8 =7,3375,

где Q — количество вещества.

Внешне зерно перлита состоит из параллельных пластинок феррита и цементита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

Сплавы, содержащие 0,8% С называются эвтектоидными, содержащие менее 0,8% С — доэвтектоидными, и содержащие более 0,8% С — эаэвтектоидными.

При охлаждении сплавов, лежащих правее точки S и содержащих более 0,8% С, ниже линии SE происходит распад аустенита А с выделением из него вторичного цементита Ц_II, обусловленный снижением растворимости углерода в аустените при понижении температу­ры. Так как выделяющийся вторичный цементит Ц_II содержит 6,67% С, концентрация угле­рода в остающимся аустените А изменяются (уменьшается) по линии SE до состава точки S (0,8% С) при 727°С.

39

Таким образом, доэвтектоидные сплавы в области VIII состоят из аустенита А и ферри­та Ф, а в области IX — из феррита Ф и перлита П. Заэвтектоидные сплавы (0,8 - 2,14% С) в области V состоят из аустенита А и вторичного цементита Ц_II, а в области Х — из вторично­го цементита Ц_II и перлита П.

Сплавы, содержащие от 2,14 до 4,3% С, выше линии PSK, но ниже линии ECF (об­ласть VI) состоят из аустенита А, вторичного цементита Ц_II и ледебурита Л.

По линии PSK и ниже в этих же сплавах (область XI) происходит превращение аусте­нита А в перлит П; структура сплава состоит из перлита П, цементита Ц и вторичного леде­бурита Л_II. Сплавы, соответствующие эвтектической точке С, ниже линии PSK имеют струк­туру одного ледебурита Л.

Сплавы, содержащие 4,3 - 6,7% С, ниже линии CF, но выше линии PSK (область VII) состоят из цементита Ц и первичного ледебурита Л_I; ниже линии PSK (область XII) сплавы сохраняют эту же структуру.

По линии PG происходит превращение аустенита А в феррит Ф заканчивается. Также в нижней левой части диаграммы линия PQ показывает уменьшение растворимости углерода в α-железе Fe_α (феррите Ф) с понижением температуры. По линии PQ из феррита Ф начинает­ся выделение третичного цементита Ц_ІІІ, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры. Следовательно, сплавы между точками Р и Q состо­ят из феррита Ф и третичного цементита Ц_ІІІ.

Сплавы, находящиеся внутри области GPQ, состоят только из феррита Ф.

По линии МО при постоянной температуре 768ºС имеют место магнитные превраще­ния сплава.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо - цементит, т. е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются они буквой А (от французского arret — остановка):

А₁ — линия PSK (727ºС) — превращение П ↔ А;

A₂ — линия MO (768ºС, — точка Кюри — магнитные превращения);

A₃ — линия GOS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) — превращение Ф ↔ А;

A₄ — линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве)

— превращение А ↔ Ф ( δ);

A_cm — линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве)

— начало выделения цементита вторичного Ц_ІІ (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных темпера­турах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве до­бавляют букву с, т. е. А_с1, при охлаждении - букву r, т. е. А_r1.

Все сплавы, характеризующиеся диаграммой Fe-C, разделяют на: техническое железо (< 0,006% C), стали (0,006 < C < 2,14%) и чугуны (2,14 <C <6,67%).

Построим кривую охлаждения для сплава, содержащего 1,2% углерода С (см. рис. 6).

40