Построение кривых охлаждения сплавов заданной концентрации с использованием диаграммы состояния

Формирование фаз или структур в сплавах можно изучить, рассматривая по диаграмме процессы, происходящие в них при охлаждении или нагреве.

Для этого необходимо на оси концентраций найти процентное содержание углерода, соответствующее заданию и провести вертикальную линию сплава (ординату). Точки пересечения линии сплава с точками диаграммы являются критическими точками, которые необходимо обозначить индексами: 1, 2, 3 и т.д. Точка 1 всегда должна находиться на линии ликвидус.

Рядом с диаграммой начертить график охлаждения данного сплава в координатах «время-температура», показав связь критических точек на диаграмме и графике (время при этом откладывается произвольно), и описать сущность превращений, происходящих в сплаве при медленном охлаждении.

В качестве примера проследим за формированием структур сплава с содержанием углерода 1,5 % при медленном охлаждении с 1600^о С с описанием фазовых превращений, происходящих в сплаве.

Сплав до температуры 1450^о С (точка 1) находится в жидком состоянии. Кристаллизация его начинается при 1450^о С с выделением из жидкого раствора кристаллов аустенита.

Кристаллизация сплава заканчивается в точке 2 (1250^о С). В интервале температур 1250 – 950^о С (точки 2, 3) сплав охлаждается, не претерпевая никаких изменений. При охлаждении сплава ниже 950^о С (точка 3) аустенит с концентрацией углерода 1,5 % становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и выделяется в виде цементита вторичного. Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 950 до 727^о С изменяется согласно линии ES от точки 3 к точке S:

А_3-S ® Ц_II

При температуре 727^о С (точка 4) в сплаве происходит эвтектоидное превращение. Аустенит (0,8% С) распадается на феррито-цементитную смесь – перлит:

А_S Ф_Р + Ц_К

С понижением температуры сплава ниже 727⁰ С растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного:

Ф_P-Q Ц_III

Однако выделяющийся цементит третичный в структуре стали металлографически не различается, т.к. сливается с цементитом эвтектоида. В структуре сплава с концентрацией углерода 1,5 % при комнатной температуре наблюдаются зерна перлита, окаймленные тонкой сеткой цементита вторичного.

При построении кривой охлаждения необходимо учитывать следующие закономерности: если охлаждается одна фаза - кривая охлаждения имеет вогнутый вид; если одновременно существуют две фазы –выпуклый вид; если одновременно существуют три фазы –на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка.

Рис.6.2.. Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I при охлаждении: а – диаграмма состояния; б – кривая охлаждения (кристаллизации) сплава и конечная структура

Таблица 6.1.

Характерные точки диаграммы состояния Fe-Fe₃C

Обозначение точки	Температура,оС	Содержание углерода,%
А
Н		0,1
J		0,16
B		0,51
N
D		6,67
E		2,14
C		4,3
F		6,67
G
P		0,02
S		0,8
K		6,67

Таблица 6.2.

Линии трехфазного равновесия

Индекс линии	Температура,оС   727°С727°С °С °С	Фазы, находящиеся в равновесии	Название превращения	Взаимодействие фаз при охлаждении сплава
НВ		ЖВ + δН + AJ	Перитектическое	ЖB + δН ↔А
ЕР		ЖС + АЕ + ЦF	Эвтектическое	ЖC↔АE + ЦF (ледебурит)
E’F’		ЖС + АЕ + Гр	Эвтектическое	ЖC↔АE + C (графитная эвтектика)
PSK		АS+ ФР+ ЦК	Эвтектоидное	АS↔ФP + ЦК (перлит)
P’S’K’		АS+ ФP+ Гр	Эвтектоидное	АS’↔ФP’ + Гр

Порядок выполнения работы и содержание отчета

1. Вычертить диаграмму состояния с указанием температур превращений и концентрации углерода характерных точек.

2. Указать фазы и структурные составляющие в различных областях диаграммы.

3. Написать реакции, происходящие при охлаждении сплавов на изотермах.

4. Получить у преподавателя индивидуальное задание (по табл. 6.4) и построить кривую охлаждения заданного сплава с применением правила фаз.

5. Определить составы и весовое количество фаз (в процентах) и структурных составляющих при температурах, указанных в табл. 6. 4.

6. Составить отчет. Содержание отчета: название и цель работы, все пункты, указанные в разделе «Порядок выполнения работы»

Контрольные вопросы и задания

1. Показать линии ликвидус и солидус в системе «железо-углерод».

2. Показать на диаграмме Fе, А, Ф, П, Ц, Л. Что из данных фаз и структурных составляющих изображено на диаграмме линиями, что областями?

3. Показать на диаграмме чистый металл, химическое со­единение, твердые растворы, механические смеси.

4. Что происходит в чистом железе при температуре 911^o С?

5. Укажите точки максимальной растворимости углерода в А и Ф. Линии предельной ограниченной растворимости углерода в А и Ф.

6. Указать эвтектическую, эвтектоидную, перитектическую точки и написать соответствующие реакции.

7. Что такое полиморфизм (аллотропия)?

8. Каким областям диаграммы соответствует фазовый сос­тав α + Fe₃C? γ + Fe₃C?

9. Укажите элементы диаграммы (точки, линии, облас­ти), соответствующие нонвариантному, моновариантному, бивариантному равновесию.

10. Почему А в точке S (727°С) распадается на ферритоцементитную смесь - перлит? Могут ли быть другие продукты распада аустенита? При какой температуре?

Таблица 6.4

Варианты заданий для построения кривой охлаждения и опре­деления весового количества фаз и структурных составляющих сплава

N п/п	Содержание углерода, %	Температура, °С	N п/п	Содержа-ние углерода, %	Температура,0С
		t1	t2	t1	t2
	0,05				1,6
	0,12				2,3
	0,16				2,5
	0,20				2,8
	0,35				3,0
	0,40				3,5
	0,50				3,8
	0,60				4,2
	0,80				4,5
	1,00				5,0
	1,20				5,5
	1,40				6,0

Лабораторная работа №7