Построение кривой кристаллизации заданного сплава

По диаграмме железо-цементит можно построить кривые охлаждения (нагревания). Для этого точки пересечения вертикали с линиями диаграммы (рис.5.2), обозначающий сплав определенной концентрации, переносят на систему координат температура-время и строят кривую нагревания или охлаждения этого сплава. При построении кривой кристаллизации сплава руководствуются значениями вариантности системы в каждом из температурных интервалов. При этом интервалы с нулем степеней свободы изображаются в виде горизонтального отрезка, интервалы с одной или двумя степенями свободы – в виде наклонной линии. Причем линия, соответствующая интервалу с двумя степенями свободы, вычерчивается круче, чем с одной степенью свободы.

Масштаб по горизонтали произвольный. Точки пересечения с кривыми линиями диаграммы соответствуют перегибам на кривых охлаждения и нагревания, а точки пересечения с горизонтальными линиями соответствуют площадкам на тех же кривых.

5.2.3.Определение химического состав фаз и их количество в

структуре сплава

Химический состав фазлюбого сплава системы можно определить с помо­щьюканоды, а их количество - по правилу рычага

При отыскании концентрации углерода в фазах в температурных интервалах, соответствующих двухфазным областям, следует применить правило отрезков: «Чтобы определить концентрацию компонентов в фазовых составляющих сплава, нужно через заданную точку двухфазной области провести коноду (рис.5.2). Конодой называется горизонтальный отрезок, проведенный в двухфазной области диаграммы состояния и опирающийся своими концами на фазовые границ).

Для определения химического со­става фаз сплава состава с' при оп­ределенной температуре, например, при t₁, необходимо через фигура­тивную точку сплава с провести каноду асв. Фигуративной точкой называется точка на диаграмме состояния, характеризующая состояние сплава заданной концентрации при определенной температуре.

Точка а характеризует твердую фазу, а точка в - жидкую фазу. Спроектировав их на ось концен­траций, получим состав фаз - а¢ -состав твердой фазы, а в' - жидкости при температуре t₁ сплава состава с¢.

Правило рычага для определения количества равновесных фаз: отрез­ки каноды а-вмежду точкой, опре­деляющей состав сплава с и точка­ми, определяющими составы фаз (а, в),обратно пропорциональны коли­честву этих фаз Q_ж/Q_А. =аc/сb(рис 5.2), где:

Q_ж- количество жидкости;

Q_А. - количество аустенита при температуре t₁, соответствующей точке с.

Пусть в точке с масса всего сплава составляет 100 г, тогда Q_ж/(100-Q_ж) = аc/аb.Подставляя значения отрезков в сплав, взятые из диаграммы состояния, можно определить количество жидкости, а затем и количество аустенита. Следует пользоваться значениями концентраций как координатами на числовой оси.

Расчет количественного фазового состава в трехфазных областях невозможен, поскольку в них происходит при одной и той же температуре непрерывное изменение соотношения фаз. Характер изменения определяется направлением движения теплоты (к системе или от нее).

При расчете количественного структурного состава сплава при данной температуре конода должна опираться не на фазовые, а на структурные границы. К структурным границам относятся, кроме границ, совпадающих с фазовыми границами (сплошные линии диаграммы состояния), еще и вертикальные линии, проведенные пунктирными линиями и соответствующие эвтектической (4,3 %) и эвтектоидной (0,8 %) концентрации углерода в сплавах.

Задачу о количественном структурном составе сплава при трех структурных составляющих решают более сложным путем. В данном случае используют то, что масса эвтектики с момента ее образования остается в сплаве при дальнейшем его охлаждении неизменной. Поэтому содержание эвтектики (ледебурита) можно рассчитывать при условии, когда в сплаве присутствуют только две структурные составляющие (ледебурит + аустенит).

Например:

Ниже приведены: диаграмма железо-цементит (рис 5.2); кривые охлаждения с 0,7%С (сплав I, рис 5.3 и таблица5.4) и 2,5%С (сплав II, рис.5.4).

Чтобы построить кривую охлаждения, необходимо:

а) найти на оси концентрацийуглерода,диаграммы железо-цементит точку, определяющую состав заданного сплава и провести вертикальную линию, которая пересекает данную диаграмму;

Рис. 5.2. Диаграмма состояния железо – цементит

Таблица 5.4

Сплав содержит 0,7 % углерода

Номера температурных интервалов	Температурные границы интервалов, °С	Концентрация углерода в Фазовых состояниях, %	Структурный состав	Вариантность системы
верхние границы	нижние границы	Наименование фазы	на верхней границе темпера- турного интервала	на нижней границе темпера- турного интервала
			Ж А	0,7 0,2	2,25 0,7	Ж+А
			А	0,7	0,7	А
			А Ф	0,7 0,016	0,8 0,02	А+Ф
			Ф А Fe3С	0,8 0,02 6,67	0,8 0,02 6,67	А+Ф+ П
			Ф Fe3С	0,02 6,67	0,01 6,67	Ф+П
Ж - жидкость, А - аустенит, Ф - феррит, П - перлит, Fe3С - цементит

Рис.5.3. Кривая охлаждения сплава с 0,7 % углерода (1)

Рис.5.4. Кривая охлаждения сплава с 2,5 % углерода (II)

б) там, где заданная линия пересекает линии диаграммы обозначить точки 0-1-2-3-4 т.д.

в) в каждой точке определить количество фаз и указать, какие происходят превращения.

Методика выполнения работы

5.3.1.Уясните цель работы.

5.3.2. Изучите диаграмму состояния системы железо-цементит.

5.3.3. Изучить структурные превращения железоуглеродистых сплавов по диаграмме железо-цементит при нагреве и охлаждении.

5.3.4. Выработать навыки по применению к диаграмме железо-цементит правила фаз и правила отрезков с пояснением условий для сохранения сплавов в равновесном состоянии. Научиться определять процентный и количественный состав сплавов.

5.3.5. Выполните по заданию, приведенному в таблице 5.5, 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.

5.3.6.Составьте отчет о работе.

Содержание отчета

5.4.1. Цель работы

5.4.2. Схема диаграммы железо-цементит.

5.4.3. Описание фаз, структур железоуглеродистых сплавов и их свойства.

5.4.4. Кривая охлаждения с содержанием углерода (табл. 5.5), построенная по диаграмме железо-цементит, описание на основе этой кривой фазовых превращений, происходящих в сплаве при нагревании и охлаждении

5.4.5. Расчеты состава фаз, т.е. процентное содержание количество углерода в фазах и их количественное соотношение.

Таблица 5. 5

Исходные данные для анализа процесса кристаллизации