2.3 Примеры анализа диаграммы

ПРИМЕР 1:

Задание.Провести анализ стали 30. Указать фазы и структурные составляющие для всех областей диаграммы, относящихся к исследуемому сплаву. Построить кривую охлаждения и описать все превращения, происходящие при охлаждении сплава от жидкого состояния до комнатной температуры. Используя правило отрезков, определить количественное соотношение структурных составляющих при температуре 750С.

Поскольку в стали 30 содержится 0,3 % углерода, отметим на диаграмме состояния этот сплав штрихпунктирной линией. В связи с тем, что у данного сплава очень близко друг к другу расположены линии диаграммы, не дающие возможности получить четкие иллюстрации, поэтому придется начертить в увеличенном масштабе левый верхний угол и нижнюю часть диаграммы (рисунки 2, 3).

Рисунок 2 – Анализ левого верхнего угла

Анализ верхнего левого угла диаграммы состояния

При температуре t, лежащей выше линии ликвидус, сплав находится полностью в жидком состоянии. При температуреt₁ сплав пересекает линию ликвидус, что свидетельствует о начале кристаллизации, т.е. о выделении из жидкой фазы каких-то кристаллов. На кривой охлаждения появляется перегиб, указывающий об уменьшении скорости охлаждения.

Для определения выделяющейся фазы необходимо из точки пересечения сплавом линии ликвидус в рассматриваемой области провести горизонтальную линию (коноду) до пересечения с ближайшей линией диаграммы. Если конода пересечет наклонную линию диаграммы, это будет указывать на выделение из жидкости кристаллов твердого раствора. При этом, направление коноды укажет на компонент растворитель. Если конода пересечет вертикальную линию диаграммы, то будет выделяться та фаза, которая располагается на этой линии.

Применим это правило для температуры t₁. Конода в данном случае пересекает наклонную линиюАН, поэтому начнут выделяться кристаллы твердого раствора. Конода направлена в сторону, где располагается δ-железо. Поэтому оно будет растворителем, и в нем будет растворяться углерод. Но твердый раствор углерода в δ-железе представляет собой высокотемпературный феррит. Таким образом, при температуреt₁из жидкости начнут выделяться кристаллы высокотемпературного феррита или, иначе, δ-фазы.

Процесс выделения δ-фазы будет идти в интервале температур t₁…t₂. Поэтому в указанном температурном интервале будут находиться две фазы – жидкость + кристаллы δ-фазы (Ж+δ).

При температуре t₂, лежащей на границе перитектической реакции, жидкость принимает концентрацию точкиВ, а кристаллы δ-фазы – концентрацию точкиН. Начинается перитектическая реакция, сущность которой заключается в том, чтожидкость, взаимодействуя с ранее выделившимися кристаллами, образует новые кристаллы.Эти новые кристаллы определяются фазой, лежащей ниже перитектической точки (точкаJ), а под этой точкой находится аустенит:Ж_В + δ_Н → А_J

При протекании перитектической реакции на кривой охлаждения всегда будет появляться горизонтальная площадка, которая будет существовать до тех пор, пока не закончится реакция.

После завершения перитектической реакции, если только сплав не проходил через перитектическую точку, одна, из ранее существовавших фаз, окажется избыточной. Для определения избыточной фазы существует правило: если участок пересечения границы перитектической реакции не является линией солидус, то в избытке будет оставаться жидкая фаза, в противном случае – твердая фаза.

В нашем случае участок JBне является линией солидус, поэтому в избытке после перитектической реакции будет оставаться жидкая фаза. Таким образом, в интервале температурt₂...t₃ в сплаве будут находиться две фазы: избыточное количество жидкости и кристаллы аустенита.

Завершая анализ левого верхнего угла диаграммы, остается определить, что будет происходить при температуре t₃. Здесь можно применить следующее правило: если сплав пересекает наклонную часть линии солидус, то в точке пересечения количество жидкости всегда будет равно нулю. Таким образом, при температуреt₃количество жидкой фазы станет равным нулю, а ниже этой температуры сплав будет состоять из одной фазы – аустенита.

Анализ нижней части диаграммы состояния.(рисунок 3).

При температуре t₄, как было установлено в результате предыдущего анализа, находится только аустенит. При пересечении линииGS(температураt₅) из аустенита начнет выделяться новая твердая фаза. Для определения этой фазы из точкиt₅проводим в рассматриваемой области коноду до пересечения с ближайшей линией диаграммы. Такая конода пересекает наклонную линиюPG, указывающую на выделение новых кристаллов твердого раствора. Поскольку конода здесь направлена на участок ординаты, где находится α-железо, оно и будет растворителем углерода, но твердый раствор углерода в α-железе – есть феррит. Таким образом, при температуреt₅из аустенита начнут выделяться кристаллы феррита.

Рисунок 4 – Анализ нижней части диаграммы

Процесс выделения этих кристаллов будет в интервале температур t₅…t₆. При этом концентрация углерода в аустените с понижением температуры будет меняться по линииt₅ – S. При температуреt₆концентрация углерода в аустените будет соответствовать точкеS, т.е. 0,8%. Так как и точкаS,и точкаt₆лежат на границе эвтектоидной реакции, то начинается и сама реакция, сущность которой заключается в том, что из аустенита одновременно начнут выделяться две фазы, образуя механическую смесь. Продукт такой смеси будет определяться крайними точками границы реакции: с одной стороны это феррит (точкаP), с другой – цементит (точкаK):А_S→ (Ф_P + Ц_К)

Такая механическая смесь получила название перлита.

На кривой охлаждения прохождение эвтектоидной реакции всегда отмечается появлением горизонтальной площадки.

После завершения эвтектоидной реакции дальнейшее снижение температуры не приведет больше ни к каким структурным превращениям, т.к. ниже t₆сплав больше никаких линий диаграммы не пересекает

Таким образом, окончательная структура стали 30 при комнатной температуре будет состоять из продукта эвтектоидной реакции – перлита и структурно свободного феррита, который не принимал ни какого участия в реакции.

Нередко, при анализе какого-либо сплава возникает необходимость определения состава фаз и их количественного соотношения при конкретной температуре.

Чтобы определить состав сплава при какой-то температуре, необходимо из заданной температурной точки провести коноду до пересечения с той линией диаграммы, которая является границей существования исследуемой фазы в чистом виде. Проекция точки пересечения на ось состава укажет состав исследуемой фазы.

Например, в процессе исследования стали 30 установили, что при температуре 750 С в сплаве находится две фазы: аустенит и феррит. Необходимо определить концентрацию углерода в аустените. Для этой цели мы должны из точкиt₅’провести коноду до пересечения с линиейGS, т.к. именно она является границей существования аустенита в чистом виде (рисунок 3). Если сейчас спроецировать точкуbна ось состава, мы получим ответ на поставленный вопрос:при температуре 750 С в аустените содержится 0,68% углерода.

Для определения количественного соотношения фаз необходимо из заданной температурной точки провести две коноды до пересечения с теми линиями диаграммы, которые являются границами предельного существования исследуемых фаз в чистом виде. В результате мы получим два отрезка, и тогда количество одной фазы будет так относиться к количеству другой фазы, как относятся отрезки, противолежащие этим фазам.

Например, для определения количественного соотношения аустенита и феррита при температуре 750 С, (рисунок 3) мы должны провести из точки t₅’ коноду влево и коноду вправо. Получаем два отрезка:at₅’иt₅’b.При этом, отрезокat₅’прилежит ферритной области, но противолежит аустенитной, а отрезокt₅’b прилежит к аустенитной области, но противолежит ферритной.

Таким образом, правило отрезков, применительно поставленной задаче можно записать следующим образом:

Проекция точки aна ось состава составляет 0,019%, а точкиb - 0,68%. Тогда отрезокat₅’будет равен 0,3 – 0,019 = 0,28, а отрезокt₅’bбудет равен 0,68 – 0,3 = 0,38. С учетом полученных данных:.

Таким образом, при температуре 750 С в стали 30 на 28 частей аустенита будет приходиться 38 частей феррита.

ПРИМЕР 2:

Задание.Провести анализ стали У13. Указать фазы и структурные составляющие для всех областей диаграммы, относящихся к исследуемому сплаву. Построить кривую охлаждения и описать все превращения, происходящие при охлаждении сплава от жидкого состояния до комнатной температуры. Используя правило отрезков, определить количественное соотношение структурных составляющих при температуре 750С.

Рисунок 4 – Анализ стали У13

При температуре t₁из жидкости начнут выделяться кристаллы аустенита (рисунок 4). Процесс выделения кристаллов аустенита будет идти в интервале температурt₁…t₂, где будут находиться две фазы: жидкая и кристаллы аустенита. На кривой охлаждения это отмечается уменьшением скорости охлаждения.

При температуре t₂, поскольку сплав пересекает наклонную часть линии солидус, количество жидкости станет равным нулю. Тогда нижеt₂,, вплоть доt₃ , в структуре сплава будут наблюдаться только кристаллы аустенита.

При температуре t₃сплав пересекает линиюES, что свидетельствует о начале выделения из аустенита новой твердой фазы. Для определения выделяющейся фазы необходимо из точки пересечения сплавом линииESпровести в рассматриваемой области коноду до пересечения ее с ближайшей линией диаграммы. Такой ближайшей линией диаграммы будет являться крайняя правая ордината. Поскольку это вертикальная линия и на ней располагается чистый цементит, то эта фаза и начнет выделяться из аустенита.

Проследим последовательность выделения цементита. Он выделяется из аустенита, который, в свою очередь выделился из жидкости. Процесс выделения кристаллов из жидкости – это первичная кристаллизация, а выделения новых кристаллов из ранее существовавших – это вторичная кристаллизация. Таким образом, выделяющийся цементит является продуктом вторичной кристаллизации, и получил название вторичного цементита.

Процесс выделения вторичного цементита будет идти в интервале температур t₃ … t₄, при этом состав аустенита будет меняться по линииt₃S.При температуреt₄ в аустените будет находиться 0,8% углерода (точкаS). И точкаS, и точкаt₄ лежат на горизонтальной линией, являющейся границей эвтектоидной реакции. Поэтому, при достижении сплавом температурыt₄ в сплаве начнется эвтектоидная реакция:А_S→ (Ф +Ц), т.е. в результате эвтектоидной реакции из аустенита будут одновременно выделяться две фазы, феррит и цементит, образуя механическую смесь, перлит. На кривой охлаждения это будет отмечено появлением горизонтальной площадки, которая будет существовать до тех пор, пока последний кристалл аустенита не превратится в перлит.

По завершению эвтектоидной реакции мы будем наблюдать дальнейшее снижение температуры, но т.к. ниже t₄ сплав больше ни каких линий диаграммы не пересекает, то и ни каких больше превращений не будет. Таким образом, окончательная структура при комнатной температуре будет состоять из продукта эвтектоидной реакции перлита и структурно свободной фазы вторичного цементита, который не принимал участия в реакции.

Для определения количественного соотношения фаз при температуре 750 С (точкаt₃’) из этой температурной точки проведем две коноды: до пересечения с линиейES(граница предельного существования аустенита в чистом виде) и с крайней правой ординатой (область существования чистого цементита). Получим два отрезка:ct₃’, который является противолежащим цементиту отрезком, иt₃’d (точка на пересечении с крайней правой ординатой), который является противолежащим аустениту отрезком. Проекция точкиcна ось состава дает нам концентрацию 0,9 % углерода, а проекция точкиd – 6,67% углерода. Тогда правило отрезков можно записать:, т.е. на 53,7 частей аустенита будет приходиться 4 части цементита.

ПРИМЕР 3:

Задание:Провести анализ белого чугуна с концентрацией углерода 2,6 %.

При температуре t₁(рисунок 5) из жидкости начнут выделяться кристаллы аустенита. В этом можно легко убедиться, проведя из точкиt₁коноду до пересечения ее с линией JE, являющейся наклонной линией и направленной в сторону аустенита. Кристаллы аустенита будут выделяться в интервале температурt₁…t₂. И, таким образом, в этом температурном интервале будут находиться две фазы: жидкость и аустенит.

Рисунок 5 – Анализ чугунной части диаграммы

При температуре t₂жидкость приобретает концентрацию точки С (4,3% углерода) и начинается эвтектическая реакция. Сущность этой реакции состоит в том, что из жидкости начинают одновременно выделяться две фазы, образуя механическую смесь. Продукт этой реакции будет определяться крайними точками ее границы:Ж_С→ (А_Е + Ц_F). В результате такой реакции образуется механическая смесь аустенита и цементита, которая получила название высокотемпературного ледебурита или ледебурита на аустенитной основе.

Ниже t₂в структуре сплава будут находиться зерна продукта эвтектической реакции – ледебурита и кристаллы аустенита, который не принимал участия в реакции. Однако здесь следует учесть то обстоятельство, что кристаллы аустенита, по мере охлаждения отt₂ доt₃, будут постоянно менять свой состав по линииES.То есть, концентрация углерода в аустените будет меняться с 2,14% (точкаE) до 0,8% (точкаS). Такое уменьшение концентрации углерода в аустените будет приводить к перенасыщению аустенита углеродом. В результате перенасыщения из аустенита начнет выделяться фаза, имеющая более высокую концентрацию углерода, чем у аустенита. Такой фазой будет являться вторичный цементит.

Таким образом, в интервале температур t₂…t₃будут находиться: А+Л+Ц.

При температуре t₃структурно свободный аустенит и аустенит, входящий в состав ледебурита, принимают концентрацию точкиSи начинается эвтектоидная реакция, в результате которой из аустенита начнут образовываться зерна перлита.

После завершения эвтектоидной реакции дальнейшее снижение температуры не приведет больше ни к каким структурным превращениям, т.к. ниже t₃сплав не пересекает никаких линий диаграммы.

Таким образом, структура такого чугуна при комнатной температуре будет состоять из перлита (продукта эвтектоидной реакции), ледебурита, но он будет уже на перлитной основе, и вторичного цементита.

Определим количественное соотношение фаз (жидкости и аустенита) при температуре t₁’. Для этой цели из заданной температурной точки проведем две коноды: одну до линииJE(граница чистого аустенита), другую – до линииВС(граница жидкости в чистом виде). В результате получаем два отрезка:lt₁’иt₁’m, тогда:, т.е. при температуреt₁’в сплаве будет находиться 13 частей жидкости и 3 части кристаллов аустенита.

ПРИМЕР 4:

Задание:провести анализ чугуна с концентрацией углерода 4,8 %.

При температуре t₄, лежащей на линии ликвидус, из жидкости начнут выделяться кристаллы цементита. Это можно доказать, проведя из точкиt₄коноду в рассматриваемой области. Такая конода будет пересекать крайнюю правую ординату, на которой находится цементит.

Процесс выделения цементита будет идти в интервале температур t₄…t₅, и в этом интервале будут находиться кристаллы цементита и остаточное количество жидкости (рисунок 5).

При температуре t₅начнется эвтектическая реакция, точно такая же, как и предыдущем примере для температурыt₂.

В интервале температур t₅…t₆в структуре сплава будут находиться ледебурит на аустениной основе и структурно-свободный цементит.

При температуре t₆начнется эвтектоидная реакция, в результате которой ледебурит на аустенитной основе будет превращаться в ледебурит на перлитной основе

Ниже t₆структура сплава будет состоять из ледебурита на перлитной основе и структурно-свободного цементита.

Теперь определим количественное соотношение структурных составляющих для этого сплава при комнатной температуре. Мы имеем два отрезка: один отрезок от концентрации углерода 4,8 % до 4,3 % – отрезок противолежащий цементиту, другой – от 6,67 % до 4,8 %, который является противолежащим ледебуриту. Тогда правило отрезков запишется:

, т.е. на 18,7 частей ледебурита будет приходиться 5 частей цементита.