Цель работы: проанализировать диаграмму Fe-C (Fe-Fe3C) [1].
На основе цели работы были поставлены следующие задачи:
1) Вычертить диаграмму и дать её описание;
2) Указать структурные составляющие и фазы во всех областях диаграммы, дать их определение с указанием твердости;
3) Описать превращения и построить кривую охлаждения в интервале от 16000 до 6000 С0 (с применением правила фазы) для сплава с содержанием углерода С= 5,0%.
4) Выбрать для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определить:
• Содержание углерода в фазах;
• Количественное соотношение фаз в %.
5) Изобразить микроструктуру заданного сплава при комнатной температуре;
6) По микроструктуре описать примерные механические свойства.
Ход работы:
1) Анализ и описание диаграммы Fe – C (Fe -Fe3C) (рисунок 1):
Рис.1. Диаграмма состояния железо - углерод
На диаграмме представлены следующие линии: [2].
Линия AВCD – линия ликвидус. Выше неё сплавы находятся в жидком состоянии;
Линия AHJECF – линия солидус. Ниже неё все сплавы находятся в твердом состоянии;
Линия GSE – линия вторичной кристаллизации стали;
Линия GPSK – линия конца вторичной кристаллизации стали;
Линия EF – линия начала вторичной кристаллизации чугуна;
Линия SK – линия конца вторичной кристаллизации чугуна;
Ниже линии PSK ни каких изменений не происходи.
2) Определение структурных составляющих и фаз во всех областях диаграммы с указанием твердости:
· Аустенит (γ-фаза) — это высокотемпературная гранецентрированная модификация железа и его сплавов. Фаза была названа в честь Уильяма Чандлера Робертс-Остина. В углеродистых сталях аустенит представляет собой твёрдый раствор (внедрения) углерода в γ - железе (Feγ) с мягкой (HB 30-40), пластичной структурой. В данном растворе атомы углерода входят внутрь элементарной ячейки γ – железа во время конечной термообработки. В сталях, которые содержат другие металлы кроме железа и легированных сталей, в кристаллической решётке атомы металлов замещают атомы железа и возникает твёрдый раствор замещения. Аустенит имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую (ГЦК) решетку. Его структура представлена одной фазой в виде твёрдого раствора, который может иметь переменный состав в зависимости от температуры. Чем выше температура, тем больше, углерода растворяется в решетке γ - железа. Максимальная растворимость составляет 2,14% (при 1147°С), минимальная – 0,8% (в углеродистых сталях аустенит существует при температурах не ниже при 727°С).
В легированных сталях аустенит может существовать и при гораздо более низких температурах. Аустенитную фазу стабилизирует такой элемент как никель. Присутствие никеля в размере от восьми до десяти процентов приводит к тому, что аустенитная фаза сохраняется и при комнатной температуре [3,4].
· Цементит — это карбид железа (метастабильная фаза). Его химическая формула имеет вид Fe3C. Он представляет собой химическое соединение железа с углеродом. Цементит содержит 6,67% углерода и обладает высокой твёрдостью НВ 800. Цементит имеет орторомбическую кристаллическую решётку, он очень твёрд и хрупок, а также слабо магнитен до 210оС. Цементит может иметь различную форму (пластин, равноосных зёрен, сетки по границам зёрен и видманштеттову структуру) в зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки. Он разлагается при температуре выше 1650оС. В разных количествах в зависимости от концентрации цементит присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Его формирование происходит в процессе кристаллизации из расплава чугуна. Цементит образуется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Цементит является фазой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, а также составной частью перлита, сорбита, ледебурита и троостита. Он является представителем фаз внедрения, соединения переходных металлов с лёгкими металлоидами. Цементит серый, твёрдый и термически устойчивый. Он не реагирует с щелочами, водой и гидратом аммиака. Реагирует с кислотами.
· Ледебурит - это структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, которые представляют собой эвтектическую смесь цементита и аустенита в интервале температур 727-1147оС или цементита и перлита в диапазоне температур ниже 727оС. Ледебурит имеет очень твёрдую и хрупкую структуру и имеет твёрдость HB 700. Он был назван в честь немецкого металлурга Карла Генриха Адольфа Ледебура. Основной фазой инициирующей зарождение ледебурита является цементит. Ледебурит присутствует в следующих железоуглеродистых сплавах: чугунах (доэвтектических чугунах, эвтектическом чугуне, в заэвтектических чугунах), сталях.
· Феррит - это фазовая составляющая сплавов железа, которая представляет собой твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в α-железе (α-феррит). Феррит имеет мягкую и вязкую структуру, его твёрдость составляет HB 90-100. Твёрдый раствор углерода в α- железо Feα. Феррит имеет кубическую объёмно-центрированную кристаллическую (ОЦК) решётку. Он является фазой составляющих других структур, например, перлита, состоящего из цементита и феррита. При температурах выше 1401 °С в железоуглеродистых сплавах образуется твёрдый раствор углерода в δ-железе, который можно рассматривать как высокотемпературный феррит.
· Перлит — это горная порода вулканического происхождения. Перлит представляет собой эвтектоидную смесь, состоящую из двух фаз - феррита и цементита. Структура достаточно прочная с твёрдостью HB 180-220. Образование перлита — это очень интересный процесс. На кромке потока лавы в местах первичного соприкосновения земной поверхности и магматических расплавов, в результате быстрого охлаждения лавы формируется вулканическое стекло под названием обсидиан. Уже в дальнейшем под воздействием подземных вод происходит его гидратация и в результате образуется перлит. Для него характерна мелкая концентрически-скорлуповатая отдельность, по которой он распадётся на округлые ядра, которые напоминают жемчужины с характерным блеском. Среди всех остальных вулканических пород перлит отличается наличием конституционной воды (более 1%). Его пористость может быть от 8 до 40 процентов. Перлит может иметь чёрную, красно-бурую, коричневую, зелёную, белую окраску различных тонов. Различают следующие разновидности перлита: обсидиановый, смолянокаменный, сферолитовый, стекловатый и другие. По текстурным признакам выделяют полосчатый, массивный, брекчиевидный и пемзовидный перлиты.
3) Описание превращения и построение кривой охлаждения в интервале от 16000 до 6000 С0 (с применением правила фазы) для сплава с содержанием углерода С= 5,0%:
Сплав, содержащий 5.0% С, при охлаждении (при температуре t1) начинает затвердевать. Из жидкого сплава выпадают кристаллы цементита. При понижении температуры образуются новые кристаллы с большим содержанием углерода, а ранее выпавшие кристаллы цементита продолжают расти, обогащаясь углеродом. Из этого следует, что наращиваемые слои на поверхности кристаллов содержат больше углерода, чем центральные. Всё это вызывает внутрикристаллическую, или дендритную ликвацию. Вследствие протекания диффузионных процессов в выпавших кристаллах происходит частичное выравнивание состава. Этот процесс протекает медленно, и затвердевший сплав имеет внутрикристаллитную ликвацию [5].
В интервале температур от 1147 °С до 727 °С при охлаждении чугуна цементит обедняется углеродом, его состав изменяется по линии ЕS и выделяется ледебурит. При небольшом переохлаждении ниже 727 °С в заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит. При комнатной температуре заэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит. Фазовый состав белых чугунов при комнатной температуре такой же, как в углеродистых сталях. В равновесном состоянии, все они состоят из феррита и цементита.
Таким образом, после вторичной кристаллизации стали при температуре ниже 7270 С имеют следующую структуру: доэвтектоидны–перлит, цементит и ледебурит, эвтектоидные –ледебурит и заэвтектоидные – ледебурит и цементит.
Кривую охлаждения данной стали можно построить с использованием правила фаз: [6].
Зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением С =k–f+1,
Где,
С – число степеней свободы системы (вариантность системы);
k – число компонентов, образующих систему;
1 – число внешних факторов;
f – число фаз, находящихся в равновесии.
Под числом степеней свободы пронимают возможность изменения температуры и давления без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.
Применяя правило фаз, определим степень свободы для точек 1,2,3.
1 - С=2-2+1≠0;
2 - С=2-3+1=0;
3 - С=3-2+1≠0 (рисунок 2).
Рис.2. Кривая охлаждения
4) Выбор для заданного сплава температуры между линиями ликвидус и солидус и определение: содержания углерода в фазах и количественного соотношения фаз в %:
a) Выберем, например, температуру t2 (рисунок 3).
Через эту точку проведём изотерму, пересекающую диаграмму по линиям ликвидус и солидус. Для определения концентрации углерода в фазе ледебурит и цементит из точки пересечения изотермы и линии солидус опустим перпендикуляр на ось концентрации углерода. Для определения концентрации углерода в жидкой фазе из точки пересечения изотермы и линии ликвидус опустим перпендикуляр на ось концентрации углерода.
b) Количественное соотношение фаз определим по правилу отрезков:
Процентное содержание жидкой фазы (a/a+б) *100%
Процентное содержание ледебурит+цементит (б/a+б) *100%
Так как б > а, то содержание ледебурит+цементит больше содержания жидкой фазы.
Рис.3. Определение состава фаз
5) Изображение микроструктуры заданного сплава при комнатной температуре:
При комнатной температуре заэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит (рисунок 4).
Рис.4. Первичный цементит и ледебурит
6) Описание примерных механических свойств по микроструктуре:
Из-за присутствия большого количества цементита белый чугун обладает высокой твердостью (HB = 4500 – 5500 МПа), хрупок и практически не поддастся обработке резанием. Поэтому белый чугун имеет ограниченное применение, как конструкционный материал.