Основные линии и точки на диаграмме железо – углерод

Линия ABCD является ликвидусом системы, линия AHJECF – солидусом.

Три горизонтальные линии на диаграмме (HJB, ЕСF и PSK) указывают на протекание трех превращений.

При 1499 °С (линия HJB) протекает перитектическая реакция:

L_B + Ф_H ↔ A_J.

В результате этой реакции образуется аустенит. Реакция эта наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до 0,5%.

При 1147 ºС (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция:

L_С ↔ A_Е. + Ц_I.

В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь аустенита и первичного цементита, которая называется ледебуритом. Реакция эта происходит у всех сплавов системы, с содержанием углерода более 2,14 %.

При 727 °С (горизонталь РSК) протекает эвтектоидная реакция:

А_S ↔ Ф_Р + Ц_III.

Продуктом превращения является эвтектоидная смесь феррита и третичного цементита, которая называется перлитом.

Перлитное (эвтектоидное) превращение происходит во всех сплавах, содержащих свыше 0,02 % углерода, т. е. практически во всех промышленных железоуглеродистых сплавах.

AHN – линия предельной растворимости углерода в-феррите.

ES – линия предельной растворимости углерода в аустените.

GPQ– линия предельно растворимости углерода вα-феррите.

DFKL – линия однофазного существования цементита (6,67%).

МО – линия магнитного превращения (768С).

А – температура плавления железа - 1539С.

D- температура плавления цементита.

B– содержание углерода в жидкой фазе, претерпевающей перитектическое превращение (0,51%).

C- содержание углерода в жидкой фазе, претерпевающей эвтектическое превращение (4,3%) –эвтектическая точка.

H- содержание углерода в-феррите, претерпевающем перитектическое превращение (0,1%).

J– содержание углерода в аустените, образующемся в результате перитектического превращения –перетектическая точка.

E– предельное содержание углерода в аустените, образующемся в результате эвтектического превращения (2,14%).

S- содержание углерода в аустените, претерпевающей эвтектоидное превращение (0,8%) –эвтектоидная точка.

P– предельное содержание углерода вα-феррите, образующемся в результате эвтектоидного превращения (0,025%).

Q- предельное содержание углерода вα-феррите, при комнатной температуре (≤ 0,006 %).

Анализ процессов охлаждения железоуглеродистых сплавов различного состава

Кристаллизацию низкоуглеродистых сталей удобнее рассматривать на увеличенной части диаграммы Fe-C в области перитектического превращения, приведенной на рисунке 3.

Рассмотрение начнем со сталей, содержащих менее 0,006% С. Это стали ферритного класса. При температуре близкой к 1539 ºС из жидкости начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода в железе (δ-феррита), содержащие очень малое количество углерода. В области АВН сосуществуют жидкость и кристаллы δ-феррита. Состав и относительное количество сосуществующих фаз определяются по правилу рычага в соответствии с положением линий на диаграмме, т.е. линий АВ и АН.

При температуре, соответствующей точке пересечения линии АН с линией 1-2, кристаллизация заканчивается и до температуры, соответствующей точке 3 существует одна фаза δ-феррит. Дальнейшее охлаждение приводит к выделению из δ-феррита кристаллов аустенита. Этот процесс осуществляется в области температур и концентраций, ограниченной линиями NH и NJ. При дальнейшем охлаждении до температуры, соответствующей точке 4, весь феррит превращается в аустенит. Однофазная аустенитная область рас полагается ниже линии NJ до линии GP.

При температурах ниже 911 °С (рис. 1) происходит еще одно фазовое превращение аустенита в α-феррит. В области температур и составов, заключенной между линиями GOS и GMP сосуществуют кристаллы феррита и аустенита.

Следует отметить, что при температуре, соответствующей линии МО (температура Кюри), чистое железо и его сплавы с углеродом претерпевают магнитное превращение и во многих учебниках немагнитные кристаллы железа и феррита (решетка ОЦК) называют β-железом и β-ферритом.

По мере охлаждения до температуры около 850°С кристаллы аустенита полностью превращаются в α-феррит и сталь вплоть до комнатной температуры будет иметь ферритную структуру.

Теперь перейдем к более высокоуглеродистым сталям, содержащим от 0,10 до 0,16% С (в соответствии с положениями точек H и J на диаграмме состояния). Сталь, содержащая 0,16% С, претерпевает перитектическое превращение при температуре 1499 °С, т.е. переход жидкости состава соответствующего точке В и δ-кристаллов состава точки H в γ-кристаллы (аустенит), отве-

Рис. 3 Область перитектического превращения диаграммы

железо - углерод

чающие составу точки J. Другими словами, жидкость, взаимодействуя с кристаллами δ-феррита, превращается в аустенит. При этом расходуются кристаллы δ-феррита, имеющие состав, отвечающий точке H. При отклонении состава сплавов от состава точки J (т.е. в сплавах с меньшим содержанием углерода), часть кристаллов δ-феррита превращения не претерпевают. Если состав сплава точно соответствует точке J, то все кристаллы δ-феррита, состава соответствующего точке H и вся жидкость состава В переходит в аустенит состава J, т.е. происходит перитектическая реакция:

Ж_В + δ_Н ↔ γ_J (аустенит).

При дальнейшем охлаждении стали, содержащей 0,16% С, в ней происходят превращения несколько отличающиеся от ранее рассмотренных.

Эта сталь при температуре 727 °С испытывает так называемое эвтектоидное превращение. Превращение этого типа протекает только с участием твердых фаз. Суть рассматриваемого эвтектоидного превращения заключается в распаде γ-кристаллов (аустенита) в кристаллы третичного цементита и феррита. Смесь пластинчатых кристаллов Fе₃С_III и α-феррита, содержащая 0,83% С называется перлитом (эвтектоидом). Температура начала его образования соответствует точке S на диаграмме Fе - Fе₃С.

As ↔ Фр + Ц

Перлит

Если стали содержат углерода от 0,16 до 0,53 %, т.е. их составы располагаются между точками J и B на диаграмме состояния, то для них перитектическое превращение характеризуется неполным использованием жидкости. Кристаллы δ и часть жидкости состава B образуют аустенит состава J. Оставшаяся жидкость того же состава B, но в меньшем количестве, сохраняется и при охлаждении ниже линии HJB. Температура окончания кристаллизации определяется линией JE.

Дальнейшее превращение сталей этой группы мало отличается от превращений, характерных для большинства доэвтэктоидных сталей. Только количество перлитной составляющей возрастает по мере приближения состава к точке S. Стали, содержащие больше 0,53 % с, не претерпевают перитектического превращения.

Кристаллизация стали, содержащей 0,8% углерода, начинается сразу с выделением аустенита, что в дальнейшем приводит к образованию одной структурной составляющей – перлита.

Перейдем теперь к рассмотрению фазовых превращений заэвтектоидных сталей. К этой группе относятся стали, содержащие от 0,8 до 2,14%. Кривая охлаждения для заэвтектоидных сталей представлена на рис. 4. Для этих сталей, как и для эвтектоидных, не наблюдается перитектического превращения. При кристаллизации таких сплавов (0,8 – 2,14% С) из жидкости выделяются кристаллы аустенита. По мере охлаждения состав жидкости изменяется по линии ВС, а состав аустенита – по линии JE. Каждой температуре соответствуют вполне определенные составы существующих кристаллов аустенита и капель жидкого металла.

Рис. 4 Диаграмма состояний системы железо-углерод (а) и кривые

охлаждений (б) для заэвтектоидных сталей и чугунов

При охлаждении сплавов ниже температур, соответствующих линии SE, растворимость углерода в аустените падает и из него начинает выделяться вторичный цементит. На микроструктуре это проявляется в том, что каждое зерно аустенита, превращающееся затем в перлит, окружено оторочкой из цементита. При температуре 727 °С аустенит принимает состав, соответствующий эвтектоиду (точке S диаграмме). При дальнейшем охлаждении аустенит этого состава превращается в перлит. Выделения цементита существенно повышают прочность стали, но одновременно снижают пластичность.

При содержании углерода больше 2,14%, аустенит уже не является единственной фазовой составляющей и присутствует в металле одновременно со вторичным цементитом, образуя эвтектическую смесь, называемую ледебуритом (эвтектика). Поэтому металл, содержащий более 2,14% С, относят к чугунам, для которых ледебурит является характерной составляющей.

Жс ↔ A_E + Ц

Ледебурит

Представленные на диаграмме состояния линии и соответствующие им превращения, часто обозначают буквами с присвоенным им номером, увеличивающимся с ростом температуры и называют критическими точками. Так, например, превращение, происходящее при 727 °С обозначают А₁. В тех случаях, когда превращение происходит в процессе нагрева, его обозначают с индексом с например Ас₁ (рис 5).

Рис. 5 «Стальной угол» диаграммы «железо - углерод»

Критические точки принадлежащие линии PSK обозначаются Ac₁, соответствуют эвтектоидной реакции и началу превращения перлита в аустенит. На линии МО точка Ас₂ соответствуетмагнитному превращению феррита. На линии GS точка Ас₃ соответствует концу превращения феррита в аустенит для доэвтектоидных сталей. Для заэвтектоидных сталей точка Ас₃ принадлежащая линии SE соответствует окончанию растворения вторичного цементита в аустените.

В соответствии с тем, что фазовые превращения при нагреве и охлаждении протекают с некоторым температурным гистерезисом, то при охлаждении критические точки обозначают с индексом r, например Ar₁. Точке Ас₂ соответствует магнитное превращение при температуре 768 °С, происходящее при нагреве образца. Напротив, точке Аr₂ соответствует магнитное превращение, происходящее при охлаждении образца.

Точке Ас₃ соответствует определенной температуре только при заданном составе и соответствует переходу α → γ. Следовательно, обратный переход γ→α характеризуется точкой Аr₃. Наконец, точка Ас₄ соответствует переходу от кристаллической решетки γ-аустенита к решетке δ-феррита. Обратное превращение δ→γ обозначается точкой Аr₄.

Из рассмотренных процессов кристаллизации можно сделать следующий важный вывод: во всех сплавах, содержащих менее 2,14% С, в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита; во всех сплавах, содержащих более 2,14 % С структура состоит из ледебурита с избыточным аустенитом или цементитом. Разница в структуре предопределяет и свойства материалов, образующихся в системе Fe–C, сплавы с эвтектикой при концентрации углерода более 2,14 % С называютчугунамии они, как правило, малопластичны и не пригодны для обработки давлением, однако за счет низкой температурой плавления у них хорошая жидкотекучесть и их поэтому используют в качестве литейных.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие менее 2,14 % С, называют сталями, и они, напротив, при плохой жидкотекучести, хорошо обрабатыватся давлением.

В зависимости от концентрации углерода различают три группы сталей: эвтектоидные, содержащие около 0,8 % С, структура которых состоит только из перлита; доэвтектоидные, содержащие меньше 0,8 % С, структура которых состоит из феррита и перлита, и заэвтектоидные, содержащие от 0,8 до 2 % С, структура которых состоит из перлита и цементита.

Для чугунов различают также три группы: эвтектические, содержащие 4,3 % С, доэвтектические с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % С и заэвтектические, с содержанием более 4,3 % С.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как называется структура, представляющая собой твердый раствор углерода в α - железе?

2. Как называется структура, представляющая собой твердый раствор углерода в γ - железе?

3. Как называется структура, представляющая собой карбид железа - Fe₃C?

4. Как называется структура, представляющая собой механическую смесь феррита и цементита?

5. Как называется структура, представляющая собой механическую смесь аустенита и цементита?

6. Как с увеличением концентрации углерода изменяется структура сталей?

7. Как влияет увеличение концентрации углерода на твердость сталей?

8. На какой линии диаграммы железо – цементит протекает эвтектоидная реакция?

9. На какой линии диаграммы железо – цементит протекает эвтектическая реакция?

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить предложенную теоретическую часть.

2. Выбрать вариант задания в соответствии с порядковым номером в учебном журнале

3. По координатам критических точек в системе Fe – Fe3C построить на миллиметровой бумаге диаграмму состояния указанной системы (используя бумагу формата А4). Указать структуру во всех областях диаграммы.

4. Рассчитать концентрацию углерода в сплаве, для которого в задании (таблица 1 в ПРИЛОЖЕНИИ 1) указан вес железа и углерода (формулы для расчетов смотри в справочной литературе). Указать сплав на построенной диаграмме состояния. Определить фазовый состав сплава при указанной температуре Т₁.

5. Разобрать процесс кристаллизации заданного сплава, письменно отразить характерные стадии процесса и схематично изобразить структуру сплава при комнатной температуре. Охарактеризовать структурные составляющие.

6. Рассчитать относительное соотношение фаз (феррита и цементита) в заданном сплаве при комнатной температуре.

7. Рассчитать интегральную твердость заданного сплава при комнатной температуре. Для расчетов примите:

- твердость феррита НВFe() 800 МПа;

- твердость цементита НВFe₃С 800 кг/мм²;

предельной растворимостью углерода в феррите при комнатной температуре можно пренебречь (С_мах^Fe(C)~0.006%)

8. Письменно ответить на теоретический вопрос (таблица 3 в ПРИЛОЖЕНИИ 1).

9. Все полученные результаты занести в таблицу 2 в соответствии с номером варианта задания.

10. Сделать вывод по результатам работы.

11. Оформить отчет

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Тема работы.

2. Построенная диаграмма состояния системы «железо – углерод.

3. Заполненная таблица 2 (для своего варианта)

4. Описание процесса кристаллизации заданного сплава.

5. Расчет интегральной твердости.

6. Ответ на теоретический вопрос.

7. Вывод по работе.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Таблица 1

Варианты заданий

№ варианта	Массы компонентов		Фазовый состав
	Fe	C	Т1, ºС
1	2	3	7
1	1498,5 г	1,5 г	1300
2	598,8 кг	1,2 кг	1510
3	13,87 кг	730 г	1160
4	596,4 г	3,6 г	1100
5	396,8 кг	3,2 кг	650
6	118,8 т	1,2 т	750
7	798,4 г	9,6 г	1400
8	19,68 кг	320 г	1100
9	98 т	2 т	800
10	1,627 кг	40 г	700
11	416,6 кг	12 кг	1200
12	59 т	1,95 т	900
13	200 г	7,5 г	1300
14	700 кг	33,8 кг	1160
15	0,9 т	53,4 кг	650
16	2,12 т	150 кг	1200
17	3,323 кг	10 г	1200
18	10,945 т	55 кг	1455
19	12,777 т	0,09 т	1435
20	1,652 кг	15 г	1400
21	1,798 т	20 кг	1360
22	9,11 т	0,12 т	1400
23	8451 кг	120 кг	1335
24	1,132 кг	35 г	1050
25	1,486 т	70 кг	1100

Таблица 2

Варианты заданий

№ варианта	Массы компонентов		Концентрация углерода, Сс, масса %	Доля фаз при Т2= 295ºС		Фазовый состав		Расчетная твердость НВ, кг/мм^2
	Fe	C		Fe(C)	Fe3C	Т1, ºС	фазы
1	2	3	4	5	6	7	8	9

Таблица 3

Варианты теоретических вопросов

№ варианта	Вопрос
1	2
1	Чем можно объяснить большую растворимость углерода в -железе (ГЦК) по сравнению с-железом (ОЦК) ? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: ВСт2кп
2	Какие фазы образуются в системах Fe–Fe3CиFe–C? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Сталь 35
3	Почему с ростом концентрации углерода в сплавах Fe–Fe3Cувеличивается их твердость. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Сталь 08
4	Почему с ростом концентрации углерода в сплавах Fe–Fe3Cувеличивается их твердость. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: ВСт6пс
5	Что собой представляет критическая точка А1? Изменяется ли ее значение в зависимости от концентрации углерода в сталях? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: У7
6	Что такое полиморфное превращение? Поясните по диаграмме "Fe–Fe3C". Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: ВСт3кп
7	Что такое магнитное превращение в сталях? При каких условиях оно протекает. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: ВСт4пс
8	В чем разница между эвтектическим и эвтектоидным превращением (на примере диаграммы "Fe–Fe3C")? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение:У10А
9	К какому виду соединений относится цементит? Каковы его свойства. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: ВСт2пс
10	К какому виду соединений относится аустенит? Каковы его свойства. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: У12
11	К какому виду соединений относится феррит? Каковы его свойства. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Сталь 18кп
12	Как с изменением концентрации углерода изменяется структура сталей. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: У8
13	Термодинамические условия образования стабильной фазы графита в системе Fe–Fe3C. Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: У13А
14	Как изменится структура перлита при уменьшении концентрации углерода меньше эвтектоидной? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Сталь 10
1	2
15	Почему сера, фосфор, кислород и водород относятся к вредным примесям в сталях? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: У10
16	Как изменится структура перлита при увеличении концентрации углерода выше эвтектоидной? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Сталь 45
17	В чем различия между перетектической и эвтектической реакциями (на примере системы "Fe–Fe3C")? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: У7А
18	В чем различия между перетектической и эвтектоидной реакциями (на примере системы "Fe–Fe3C")? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Сталь 50
19	Какие фазы и какие структуры формируются при кристаллизации в системе "Fe–Fe3C"? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: У8А
20	Что собой представляет критическая точка А3? По какой линии диаграммы она изменяет свое значение для доэвтектоидных сталей? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Сталь 20кп
21	При какой концентрации углерода формируется структура ледебурита? Каков ее фазовый состав, морфология и свойства? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Сталь 60
22	При какой концентрации углерода формируется структура перлита? Какой ее фазовый состав, морфология и свойства? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: Сталь 08Ю
23	При каких условиях возможно образование чисто ферритной структуры сталей? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: У13
24	При каких условиях возможно образование чисто аустенитной структуры стали при комнатной температуре? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: ВСт 3сп
25	В чем различия между твердыми растворами –Fe(феррит),–Fe(аустенит) и химическим соединениемFe3C(цементит)? Расшифруйте марку стали, назовите ее структуру и назначение: У9А

Приложение 2