Робота 2.2.4 аналіз діаграми стану залізо – цементит та кривих охолодження

Мета роботи

1) Набути навичок читання діаграми стану залізо -цементит.

2) Навчитись будувати криві охолодження та нагрівання спла­вів даної системи та визначати зміст фаз, їх концентрацію та їх кількісне співвідношення.

Теоретичні відомості

Діаграма стану залізо – цементит дає можливість встановити перетворення, що відбуваються при різних температурах в залізо-вуглецевих сплавах за умов повільного охолодження (рисунок 2.2).

За допомогою діаграми стану для будь-якого сплаву чи його компонента можна, зокрема, встановити:

а) наявність змін у будові сплаву при його нагріванні чи охо­лоджуванні;

б) назва фаз і структурних складових, а також кількість кожної з них при заданій температурі;

в) положення критичних точок;

г) режим термічної обробки сплавів тощо.

Засновником діаграми стану залізо-цементит є Д.К. Чернов, який у 1868 р. вперше відкрив критичні точки в сталі та їх положення залежно від вмісту в ній вуглецю та температури.

Основним компонентом залізовуглецевих сплавів є залізо – метал сріблясто-сірого кольору, який має густину 7,86 г/см³ і температуру плавлення 1539 ºС.

У твердому стані залізо може знаходитись у двох модифікаціях: α- Fe (ОЦК) і γ- Fe (ГЦК) . Модифікація α- Fe існує в інтервалі темпе­ратур 0...911 ºС і від 1392 ºС до температури плавлення, γ- Fe – в інтервалі 911...1392 ºС.

До температури 768 ºС залізо є магнітним.

Залізо з багатьма елементами утворює розчини: з металами – роз­чини заміщення, з вуглецем, азотом і воднем – розчини впровадження.

Розчинність вуглецю, в α- Fe мала і залежить від температури та складає не більше 0,02 %. Твердий розчин впровадження вуглецю в α- Fe називається феритом. Механічні властивості фази фериту: σ_в ≈ 300 МПа; δ ≈ 30 %; НВ800 МПа.

Розчинність вуглецю в γ- Fe залежить також від температури і може досягати 2,14 %. Твердий розчин впровадження вуглецю в γ- Fe називається аустенітом. Він має невисокі міцність і твердість, але більш пластичний ( δ ≈ 60 %).

Залізо з вуглецем утворює також хімічну сполуку Fe₃C (карбід заліза), яка називається цементитом. У ньому міститься 6,67 % C. Він має складну кристалічну решітку. Температура плавлення цементиту близько 1250 ºС. До температури нагрівання 217 ºС він є магнітним, має дуже високу твердість (НВ8000 МПа), майже нульову пластичність (δ ≈ 0 %).

Відрізняють: первинний, вторинний і третинний цементит. Первин­ний цементит (Ц_І) виділяється при кристалізації з рідкої фази, вто­ринний (Ц_ІІ) – при вторинній кристалізації з аустеніту, третинний (Ц_ІІІ) – при третинній кристалізації з фериту.

Рисунок 2.2 – Діаграма стану залізо – цементит

З діаграми стану (рис. 2.2) видно, що первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур, що визначаються на лініях лік­відусу (АВСД) і солідусу (АНІЕCF). Вторинна кристалізація викликана перетворенням заліза з однієї алотропної модифікації в іншу та зменшенням розчинності вуглецю в різних модифікаціях заліза.

Діаграма стану сплаву системи Fe – Fe₃ C складається з кількох областей, утворених лініями діаграми. Кожна така область характери-зу­ється певним структурним станом і відповідним вмістом вуглецю.

Сплав заліза з вуглецем містить одну чи дві фази, які, в свою чергу, у твердому стані утворюють структурні складові, а решта – структуру сплаву. Структур­на складова – це елемент структури, що складається з однієї чи більше фаз. Структурними складовими є аустеніт, цементит, ферит, перліт, ледебурит, причому останні дві є двофазними, а решта – однофазними.

Лінії діаграми відповідають положенню критичних точок, а останні, як відомо, – фазовим перетворюванням, тобто кристалізації чи плавленню.

Лінії ВС і СД – температури початку кристалізацій відповід­но аустеніту (ВС) та первинного цементиту (СД). При виділенні кри­сталів аустеніту з рідкої фази її склад буде збагачуватись вуглецем і по мірі зниження температури змінюватись по лінії ВС (ліквідус).

Склад твердої фази (аустеніту) при цьому буде збагачуватись вугле­цем і змінюватись по лінії ІЕ (солідус). При виділенні з рідкої фази кристалів первинного цементиту її склад буде збіднюватись вуглецем і змінюватись із зниженням температури по лінії СД (солідус).

Склад твердої фази (цементиту) при цьому буде постійним. При досягненні температури 1147 ºС склад рідкої фази для будь-якого сплаву, що знаходиться між точками Е і F буде відповідати точці С (4,43 % С). За цієї температури рідка фаза даного складу буде кристалізуватись з утворенням евтектичної механічної суміші, що складається з аустеніту складу точки Е і цементиту складу точ­ки F. Ця евтектика називаються ледебуритом. Отже, лінія ЕСF відповідає температурі утворення ледебуриту; останній має високі твердість (НВ7000 МПа) і крихкість.

Лінії GS і SE означають температури початку вторинної кристалізації відповідно фериту (GS) і вторинного цементиту (SE) з аустеніту. Склад аустеніту при зниженні температури буде зміню­ватись: для сплавів, що лежать ліворуч від точки S₁ – по лінії GS; для сплавів, що лежать праворуч від точки S₁ – по лінії SE. При досягненні температури 723 ºС склад аустеніту буде відповідати точці S' (0,83 %). За цієї температури аустеніт складу точки S буде перетворю­ватись в евтектоїдну механічну суміш, що складається з фериту складу точки Р і цементиту складу точки К, яка називається перлітом. Отже, лінія РСК означає температуру утворення перліту. Перліт має такі механічні властивості: σ_в ≈ 900 МПа, δ ≈ 10%; НВ2000 МПа.

Лінія GP означає температуру кінця вторинної перекристаліза­ції аустеніту у ферит.

При охолоджуванні залізовуглецевих сплавів нижче лінії РSК починається третинна перекристалізація, пов'язана із зменшенням розчин­ності вуглецю у фериті.

Лінія РQ означає температуру початку виділення третинного цементиту із фериту.

Послідовність виконання роботи

1 Використовуючи даний навчальний посібник, вивчити діа­граму стану системи залізо-цементит, звернувши особливу увагу на:

- особливості побудови діаграми;

- фазові та структурні складові залізовуглецевих сплавів;

- температуру фазових перетворень;

- положення ліній і точок діаграми;

- перетворення в залізовуглецевих сплавах при охолоджуванні та нагріванні.

2 Вивчити перетворення, що відбуваються в двох заданих спла­вах при змінюванні температури і побудувати для них, використовуючи правило фаз, відповідно криві охолодження та нагрівання.

3 Використовуючи правило відрізків, визначити за заданими температурами їх концентрацію та кількісне співвідношення.

4 Скласти письмовий звіт про виконану роботу.

Зміст звіту

1. Назва та мета роботи.

2. Накреслена в масштабі діаграма стану системи залізо - цемен­тит.

3. Побудовані з правого боку від діаграми крива охолодження для першого заданого сплаву та крива нагрівання для другого заданого сплаву. На кривій охолодження мають бути вказаними фазові стани, а на кривій нагрівання – назви структурних складових.

4. Визначення в сплавах за заданою температурою концентра-ції фаз та їх кількісного співвідношення.

Контрольні запитання

1. Поясніть особливості діаграми стану системи залізо - цемен­тит. Де вона застосовується?

2. Вкажіть характерні точки та лінії діаграми стану системи залізо - цементит. Поясніть, які перетворення відбуваються за цих температур.

3. Охарактеризуйте фазові та структурні складові діаграми стану залізовуглецевих сплавів.

4. Поясніть перетворення, які відбуваються в залізовуглецевих сплавах при їх нагріванні та охолодженні.

5. Поясніть правило відрізків. Де воно застосовується?