Анализ фa3оbыx равновесий в системе железо-углерод

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение диаграммы состояния системы железо-углерод и анализ фазовых равновесий в ней.

1. OCHOBHЫE ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

В настоящее время наиболее широкое применение в промышленности имеют железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны. Диаграмма состояния системы железо-углерод дает представление о формировании этих сплавов, начиная от кристаллизации из жидкости и кончая процессами фазовой перекристаллизации в твердом состоянии. Кроме того, диаграмма состояния железо-углерод позволяет оценить структуру сталей и чугунов в равновесных условиях, определяющую многие их свойства; установить температуру нагрева при термической обработке и решить целый ряд других задач.

Компонентами диаграммы состояния являются железо и углерод. Поскольку углерод находится в двух аллотропических модификациях - в виде графита и алмаза, то различают две диаграммы состояния: железо-графит и железо-алмаз. Если первая является стабильной при нормальном давлении, то вторая проявляется полностью при высоких давлениях, когда стабильными становятся неустойчивые карбиды Fe₃С, Fe₇C₃, алмаз. Поскольку известно, что самостоятельными компонентами могут быть устойчивые химические соединения, то диаграмму состояния железо-алмаз, метастабильную при нормальном давлении (т.е. имеющую промежуточное равновесие), можно только условно считать состоящей из диаграммы Fe-Fe₃C, Fe₃C-Fe₇C₃, Fe₇C₃-алмаз. Однако практическое значение имеют сплавы с содержанием углерода до 5%, охватываемые фрагментом полной диаграммы состояния железо-алмаз - диаграммой состояния металлической системы Fe-Fe₃C (железо-цементит), в соответствие с которой кристаллизуются стали и белые чугуны, и которая и является предметом данной работы. Железо - металл переходной группы (атомный номер 26, атомная масса 55,85), температура плавления 1539^ОС, отличается полиморфизмом - ниже температуры 911^ОС и в интервале 1392-1539^ОС устойчиво в форме a-модификации (Fe_a), а в интервале 911-1392^OС в форме g-модификации (Fe_g). Железо-a имеет объемноцентрированную кубическую решетку (К8), параметр которой при комнатной температуре равен 0,286 нм, ниже температуры 768^ОС ферромагнитно, а в интервале 768-911^ОС – парамагнитно. Железо-g имеет гранецентрированную кубическую решетку (К12) с параметром 0,386 нм. Высокотемпературная модификация a-железа и g-железо парамагнитны.

Второй компонент - цементит имеет сложную ромбическую решетку, полиморфизмом не отличается, при температурах ниже 210^ОС имеет слабо выраженные ферромагнитные свойства. По расчетным данным температура плавления цементита оценивается величиной, равной 1252^ОС.

При взаимодействии железа и углерода в железоуглеродистых сплавах формируются в зависимости от концентрации компонентов и температуры следующие четыре фазы:

феррит - ограниченный твердый раствор внедрения углерода в a-железе;

аустенит - ограниченный твердый раствор внедрения углерода в g-железе;

жидкость - неограниченный жидкий раствор углерода в железе (более строгим является использование термина "расплав");

цементит - карбид железа Fe₃С с содержанием углерода 6,67%.

Структурными же составляющими диаграммы состояния железо-цементит являются 4 однофазных - жидкость, феррит, цементит, аустенит и 2 двухфазных структурных составляющих - перлит и ледебурит.

Диаграмма состояния железо-цементит в интервале концентраций от железа до цементита изображена на рис.1.

Линия ABCD – линия ликвидус соответствует насыщенному состоянию жидкости (Ж): на участках АВ и ВС - железом, а на участке СD - углеродом. Линия AHJECFD - солидус определяет насыщенное состояние продуктов кристаллизации - феррита (Ф), аустенита (А) и цементита (Ц). В фазовых областях между линиями НNJ и GSP происходит фазовая перекристаллизация Ф«А, причем линии HN и GР определяют насыщение феррита углеродом, а линии NJ и GS -аустенита железом. Линии ES и PQ определяют насыщенное состояние аустенита и феррита углеродом. В соответствии с указанными значениями при охлаждении из исходной фазы выделяется фаза, богатая компонентом, которым насыщена исходная фаза. Например, при температурах линии ЕS из аустенита выделяется цементит.

Рис.1. Диаграмма состояния системы железо-цементит

Горизонтальные линии HJB, ECF и РSК указывают на протекание нонвариантных реакций, для которых число степеней свободы С=К+1-Ф=0.

Значения координат точек на диаграмме представлены на отдельных ее фрагментах (рис.2 и 3).

При кристаллизации всех сплавов с содержанием углерода до 2,14% (последние данные - 2,06%), в определенном интервале температур, происходит образование аустенита.

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода 0,025-2,14% называют углеродистыми сталями, более 2,14% - белыми чугунами.

Рис.2.Фрагмент диаграммы железо-цементит (сплавы 1…5)

Рис.3. Фрагмент диаграммы железо-цементит (сплавы 6…9)

2. АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ

Рассмотрим превращения в железоуглеродистых сплавах, содержащих до 2,14% С, - техническом железе и углеродистой стали, охватываемых "стальной" частью диаграммы состояния железо-цементит.

B сплавах, содержащих углерода менее 0,1% (сплав 1, см. рис.2), при охлаждении из жидкого состояния последовательно протекают следующие превращения (рис.4): в интервале температур 1₁-2₁ – первичная кристаллизация с образованием феррита, в интервале 3₁-4₁ - фазовая перекристаллизация с образованием аустенита. В интервалах 2₁-3₁ и ниже точки 4₁ происходит охлаждение продуктов превращений, соответственно феррита и аустенита. Уравнения фазовых реакций и схематическое изображение структур в указанных интервалах температур показаны на рис.4.

При содержании углерода 0,16% (сплав 2, см. рис.2) первичная кристаллизация происходит в интервале 1₂-J. При этом жидкость, оставаясь насыщенной, изменяет состав в диапазоне от 1₂ до В, а феррит - от 1¢₂ до Н. В двухфазной смеси Ж+Ф количество жидкости состава точки В (Ж_В) представлено отрезком НJ, а количество феррита состава точки Н (Ф_Н) -отрезком JВ.

	01-11	11-21
21-31	31-41
41-51
Рис.4. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 1

	02-12	12-J
J-J¢	J¢-22
Рис.5. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 2

При взаимодействии жидкости Ж_В и феррита Ф_Н образуется аустенит состава точки J(A_J) (см. уравнение на рис.5). Эта нонвариантная перитектическая реакция распространяется на интервал концентрация углерода от точки Н (0,1% С) до точки В (0,5% С).

В сплавах типа 3 (<0,16% С) и 4 (>0,16% С) (см. рис.2) перитектическое превращение протекает соответственно при избытке феррита или жидкости. Поэтому ниже 1499^ОС превращение в сплавах типа 3 протекает в форме фазовой перекристаллизации с образованием аустенита (рис.6), а в сплавах типа 4 - первичной кристаллизации с образованием аустенита (рис.7).

	03-13	13-23
23-2¢3	2¢3-33
33-43
Рис.6 Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 3

	04-14	14-24
24-2¢4	2¢4-34
34-44
Рис.7 Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 4

В сплавах типа 5 (0,5-2,14% С, см. рис.2) имеет место первичная кристаллизация с образованием аустенита. При этом состав жидкости в условиях равновесной кристаллизации изменяется от точки 1₅ до точки 2¢₅, а аустенита - от точки 1¢₅ до точки 2₅.

Как указывалось, формирование структуры стали при охлаждении до нормальной (комнатной) температуры проходит независимо от содержания углерода через состояние аустенита. При содержании углерода менее 0,025% (сплав типа 6, см. рис.3) аустенит в интервале температур 1₆-2₆ претерпевает фазовую перекристаллизацию с образованием феррита (рис.8). Образовавшийся феррит оказывается насыщенным и ниже температуры точки 3₆, при дальнейшем охлаждении из него выделяется цементит. При этом состав феррита изменяется в соответствии с линией его насыщения до точки Q (0,0067% С).

	06-16	16-26
26-36	36-46
Рис.8. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 6

При содержании углерода в стали 0,8% (сплав 7, см. рис.3) аустенит при температуре 727^ОС (точка S) оказывается насыщенным и железом, и углеродом. Поэтому при этой температуре происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси феррита и цементита, которая называется перлитом (П, см.рис.9). В интервале температур ниже 727^ОС из ферритной составляющей перлита в соответствии с линией PQ выделяется третичный цементит Ц_III (см. рис.9), соединяющийся с цементитом перлита. Сталь состава точки S (0,8% С) называется эвтектоидной.

При охлаждении аустенита доэвтектоидной стали (сплав 8, см. рис.3) в интервале температур 1₈-2₈ происходит фазовая перекристаллизация. При этом на уровне температуры 727^ОС аустенит в двухфазной смеси А+Ф приобретает эвтектоидный состав и при постоянной температуре превращается в перлит (см. реакции на рис.10). Таким образом, ниже 727^ОС доэвтектоидная сталь представлена перлитом и избыточной фазой - ферритом. В соответствии с линией PQ в этой стали ниже 727^ОС также выделяется третичный цементит Ц_III.

Из аустенита заэвтектоидной стали (сплав 9, рис.3) ниже температуры линии ЕS (точка 1₉) выделяется цементит (Ц_II) и при температуре 727^ОС, достигая эвтектоидного состава, превращается в перлит (см. уравнения на рис.11). Следовательно, в структуре эвтектоидной стали также содержится перлит.

Таким образом, в равновесным условиях при нормальной температуре эвтектоидная сталь представлена перлитом, доэвтектоидная - перлитом и избыточным ферритом, заэвтектоидная - перлитом и избыточным цементитом в виде сетки по границам зерен перлита.

	07-S	S-S¢
S¢-17
Рис.9. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 7

	08-18	18-28
28-2¢8	2¢8-38
Рис.10. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 8

09-19	19-29
29-2¢9	2¢9-39
Рис.11. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 9

Различают чугуны эвтектический (4,3% С), доэвтектический (2,14-4,3% С) и зазвтектический (более 4,3% С). Эвтектический чугун (сплав 10, см. рис.1) в процессе кристаллизации распадается с образованием смеси аустенита состава точки Е и цементита. Такое превращение называется эвтектическим, а продукт превращения - смесь цементита и аустенита - ледебуритом (эвтектикой). Эвтектическое превращение, будучи трехфазным, согласно правилу фаз протекает при постоянной температуре (рис.12). В соответствии с линией ES из аустенита ледебурита при охлаждении в интервале 1147-727^ОС выделяется вторичный цементит и при температуре 727^ОС превращается в перлит.

В доэвтектическом чугуне (см. рис.1., сплав 11) описанным превращениям предшествует первичная кристаллизация с образованием аустенита (рис.13). В заэвтектическом чугуне (см. рис.1, сплав 12) продуктом первичной кристаллизации является цементит (рис.14). При этом на уровне температур 1147^ОС жидкость в смесях Ж+А и Ж+Ц приобретает эвтектический состав и превращается в ледебурит.

	010-С	С-С¢
С¢-110	110-1¢10
1¢10-210
Рис.12. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 10

Таким образом, кристаллизация всех сплавов в интервале содержания углерода от 2,14 до 6,67% завершается эвтектическим превращением при одинаковой температуре на линии ECF – 1147^ОС (см. рис.8), всем чугунам свойственно также выделение из аустенита вторичного цементита в интервале 1147-727^ОС, протекание эвтектоидного превращения при температуре 727^ОС и выделение ферритом третичного цементита ниже 727^ОС. Формирование структуры чугуна при охлаждении из жидкого состояния сопряжено с протеканием двух нонвариантных превращений эвтектического и эвтектоидного. Поэтому на кривых охлаждения образуются две изотермические площадки при температурах 1147^ОС и 727^ОС (см. рис.12-14).

	011-111	111-211
211-2¢11	2¢11-311
311-3¢11	3¢11-411
Рис.13 Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 11

Структура эвтектического чугуна при нормальной температуре представлена ледебуритом, доэвтектического - ледебуритом и перлитом, заэвтектического - ледебуритом и первичным цементитом.

Диаграмма состояния железо-цементит содержит информацию о фазовом состоянии различных сталей и чугунов. Наряду с этим она позволяет решать задачи, связанные с определением состава фаз и количественного соотношения фаз.

Например, сплав 11 (см. рис.1) при температуре точки 3₁₁ содержит феррит состава точки Р и цементит состава точки К. При этом количество феррита равно 3₁₁К/РК, а цементита - Р3₁₁/РК.

	012-112	112-212
212-2¢12	2¢12-312
312-3¢12	3¢12-412
Рис.14. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 12

3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

- Уясните цель работы.

- Изучите диаграмму состояния системы железо-углерод.

- Выполните по заданию, приведенному в таблице 1, анализ процесса кристаллизации в равновесных условиях одного из железоуглеродистых сплавов.

Для этого:

- постройте диаграмму состояния системы железо-цементит, укажите на ней фазовые области и проведите линию состава заданного сплава;

- постройте кривую охлаждения;

- проверьте, используя правило фаз Гиббса, правильность построения кривой охлаждения;

- опишите превращения, происходящие при охлаждении сплава,

приведите уравнения фазовых реакций;

- изобразите вероятную структуру сплава для каждого этапа охлаждения;

- определите состав и количественное соотношение фаз при заданной в таблице температуре.

- Составьте отчет о работе.

Исходные данные для анализа процесса кристаллизации

железоуглеродистых сплавов в равновесных условиях

Номер варианта	Содержание углерода, в сплаве, %	Температура t, ОС
	0,1
	0,3
	0,4
	0,5
	0,8
	1,0
	1,5
	2,0
	2,5
	3,0
	3,5
	4,3
	5,0
	5,5
	6,0

Примечания: 1. Номер варианта выбирается по номеру в списке подгруппы.

2. Характерные точки сплава на диаграмме и на кривой охлаждения целесообразно указывать как 0₁, 1₁, 2₁, где 0, 1, 2 и т.д. - номер точки, а подстрочная единица - номер исследуемого сплава.

4 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

- Цель работы.

- Основные теоретические представления о диаграмме состояния системы железо-углерод.

- Анализ процесса кристаллизации одного из железоуглеродистых сплавов в равновесных условиях.

5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

- Почему диаграмма состояния железо-цементит является метастабильной системой?

- Что называется ферритом, аустенитом, цементитом, перлитом, ледебуритом?

- Укажите на диаграмме линию ликвидус, линию солидус, линии нонвариантных реакций.

- Какую кристаллическую решетку имеет a-железо, g-железо?

- Изобразите геометрические образы нонвариантных перитектической, эвтектической, эвтектоидной реакций.

- Опишите с помощью уравнений нонвариантные реакции.

- Укажите фазовое состояние в различных областях диаграммы.

- Укажите структурное состояние при нормальной температуре доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной стали и доэвтектического, эвтектического, заэвтектического чугуна.

- В чем заключается отличие цементита первичного от вторичного и третичного?

- Определите количественное соотношение феррита и цементита в перлите и ледебурите.

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гуляев А.П. Металловедение.- М.: Металлургия, 1986.- 544С., С.142-160.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Металлургия, 1984.- 360 С., С.116-128.

3. Металловедение и термическая обработка стали. В 3-х т. Т.2. Основы термической обработки/ Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г.- М.: Металлургия, 1983.- 368 С., С.67-83.