Общие сведения

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ «УПРАЖНЕНИЯ ПО ДИАГРАММЕ СОСТОЯНИЯ
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛAВОВ»

ОМСК 2012

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ «УПРАЖНЕНИЯ ПО ДИАГРАММЕ СОСТОЯНИЯ
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛAВОВ»

Утверждено редакционно-издательским советом университета

В качестве методических указаний к лабораторной работе

Для студентов 1-го 3-го курсов

Омск 2012

УДК 620.22 (076.5)

ББК 34.651я7

Р95

Материаловедение. Раздел «Упражнения по диаграмме состояния железоуглеродистых сплaвов»: Методические указания к лабораторной работе / А. А. Рауба, А. А. Ражковский, С. В. Петроченко, В. И. Тихомиров; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. 17 с.

В методических указаниях представлено описание лабораторной работы, в которой рассмотрена диаграмма состояния сплавов системы «железо – цементит». Даны основные понятия и определения, связанные с составом, строением и свойствами фаз и структурных составляющих этих сплавов. Приведена методика построения кривых охлаждения сплавов с использованием диаграммы, определение фазового состава и концентрации фаз сплавов в зависимости от температуры.

Методические указания предназначены для студентов 1-го 3-го курсов, изучающих дисциплины «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов» и «Технология конструкционных материалов», очной и заочной форм обучения.

Библиогр.: 2 назв. Рис. 2. Табл. 1.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор А. В. Бородин;

канд. техн. наук, доцент А. В. Солдаткин.

_________________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Диаграмма «железо – углерод» является фундаментом науки о стали и чугуне. Впервые существование связей между строением сплавов и их свойствами было установлено П. П. Аносовым. Важнейшие положения научного металловедения были заложены русским металлургом Д. К. Черновым, который показал, что в стали при ее нагреве или охлаждении до определенных температур (впоследствии названных критическими точками) происходят фазовые превращения, вызывающие значительные изменения свойств стали. Д. К. Черновым были разработаны основы теории кристаллизации металлов.

Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ними многие закономерности строения сплавов описывают с помощью диаграмм фазового равновесия. Диаграммой состояния называется графическое изображение на плоскости или в пространстве, позволяющее характеризовать все сплавы определенной системы при любых температуре и концентрации. Эти диаграммы в удобной графической форме показывают фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы построены для условий равновесия; равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева.

Сплавы на основе железа – стали и чугуны – содержат постоянные примеси: кремний, марганец, фосфор и серу. Однако в допустимых пределах они не оказывают существенного влияния на положение критических точек и характер линий диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, поэтому данные сплавы рассматриваются как сплавы двойные и для них строят диаграмму из двух компонентов (бинарную) – железа и углерода. Для анализа фазовых и структурных превращений в сталях используют диаграмму системы «железо – цементит».

В методических указаниях рассмотрены основные компоненты, фазы и структурные составляющие диаграммы «железо – цементит», описан процесс кристаллизации при охлаждении железоуглеродистых сплавов, представлена методика построения кривых охлаждения сплавов, даны определения критических точек стали при нагревании.

Лабораторная работа

УПРАЖНЕНИЯ ПО ДИАГРАММЕ СОСТОЯНИЯ

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛAВОВ

Цель работы – изучить фазовый состав и структуру сплавов системы Fe – Fe₃C по ее диаграмме состояния в зависимости от температуры и концентрации углерода. Усвоить основные понятия и определения, связанные с составом, строением и свойствами фаз и структурных составляющих этих сплавов. Научиться определять значения критической температуры (критические точки) сплавов и строить по ним кривые охлаждения с описанием фазовых и структурных превращений в них, происходящих при нагревании и охлаждении.

Общие сведения

Диаграммы состояния в графической форме показывают фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от их концентрации и температуры. Для построения диаграмм состояния используют термический анализ, разработанный Н. С. Курнаковым. Экспериментально получают кривые охлаждения сплавов разного состава и по их перегибам или остановкам, связанным с тепловыми эффектами превращений, определяют температуру соответствующих превращений. Эта температура называется критической температурой, или критической точкой. С построенных кривых охлаждения сплавов их критические точки переносятся в координаты «температура – концентрация» и соединяются линиями. Следовательно, линии диаграммы состояния сплавов любой системы – это совокупность критических точек этих сплавов. Рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других ее частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства ве-щества изменяются скачком. Структура (строение) сплавахарактеризуется такими параметрами, как количество, размер, форма, распределение, взаимное расположение отдельных фаз и структурных составляющих. Структурная составляющая – это однородная часть строения, образовавшаяся в результате первичной или вторичной кристаллизации сплава, как из жидкого, так и из твердого раствора. Структурная составляющая может состоять из одной или нескольких фаз.

Диаграммой состояния называется графическое изображение на плоскости или в пространстве, позволяющее характеризовать все сплавы определенной системы при любых температуре и концентрации. Диаграмма состояния сплавов системы, компонентами которой являются железо и цементит, представлена (в упрощенном виде) на рис. 1.

Сплавы с содержанием углерода до 2,14 % называются сталями,а более 2,14 % – белыми чугунами, так как излом слитка этих чугунов блестящий кристаллический (белый).

Рис. 1. Диаграмма состояния Fe – Fe₃C

1.1. Компоненты, фазы и структурные составляющие
железоуглеродистых сплавов

Компоненты – железо и цементит (углерод).

Железо. Температура плавления железа 1539 С (точка А диаграммы на рис. 1). В твердом состоянии может находиться в двух полиморфных модификациях: до 910 (точка G) – (ОЦК-решетка) и в интервале температур от 910 до 1392 °С – (ГЦК-решетка). Мягкое (НВ 800 МПа), пластичное ( = 50 %), прочность невысокая (_в. – 245 МПа).

Углерод (в железоуглеродистых сплавах – графит) имеет гексагональную кристаллическую решетку, невысокую прочность, мягок, электропроводен, химически стоек. При содержании углерода в сплаве 6,67 % образует с железом химическое соединение – цементит.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fе₃С). Содержание углерода – 6,67 %. Температура плавления – 1250 – 1550 °С (точка D диаграммы). Цементит имеет очень высокую твердость (НV > > 8000 МПа), но низкую, практически нулевую пластичность. При высокой температуре он неустойчив и может распадаться с выделением графита.

Железо и цементит при взаимодействии образуют четыре фазы и две структурных составляющих.

Фазы: жидкий раствор углерода в железе, феррит, аустенит и цементит.

Жидкая фаза(Ж). В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод, образуя с ним жидкий раствор. Область жидкого раствора на диаграмме расположена выше линии ACD, которая получила название ликвидус. Все точки этой линии соответствуют критическим точкам (температуре) начала первичной кристаллизации при охлаждении всех сплавов этой системы. Первичная кристаллизация заканчивается на линии AECF – линии солидус, ниже которой все сплавы данной системы находятся в твердом кристаллическом состоянии.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода и других элементов в альфа-железе. Растворимость углерода в феррите очень мала и зависит от температуры: от 0,006 при температуре 20 °С (точка Q) до 0,020 % при 727 °С (точка Р). Линия РQ диаграммы – линия предельной растворимости (предельной концентрации по температуре) углерода в феррите. При температуре ниже этой линии начинается выделение цементита третичного (Ц_III) из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите (старение феррита). Этот цементит, располагаясь по границам зерен феррита, снижает пластичность сплава и способность его к холодной пластической деформации. Феррит имеет низкие прочность (_в – 250 МПа) и твердость (НВ 800 900 МПа), высокую пластичность ( = 50 %, = 80 %). Однофазная ферритная область диаграммы – QPG.

Аустенит(А) – твердый раствор внедрения углерода и других элементов в гамма-железе. Растворимость углерода в аустените при температуре 727 °С (точка S) – 0,8 %, при температуре 1147 °С (точка Е) – 2,14 %. Линия SE диаграммы – линия предельной растворимости (предельной концентрации по температуре) углерода в аустените. В железоуглеродистых сплавах существует только при температуре выше 727 °С. Однофазная аустенитная область диаграммы – AESG. Мягкий и пластичный, прочность невысокая.

Структурные составляющие: ледебурит и перлит.

Ледебурит (Л) – сплав – механическая смесь (эвтектика) кристаллов двух фаз: аустенита и цементита первичного (Ц_I). Кристаллизуется из жидкого раствора с содержанием углерода 4,3 % при 1147 °С. Точка С диаграммы, соот-ветствующая этим значениям температуры и концентрации, называется эвтектической точкой, а линия ECF – эвтектической линией, на которой сплавы при содержании углерода более 2,14 % – белые чугуны заканчивают первичную кристаллизацию образованием ледебурита. Ледебурит обладает высокой твердостью (НV > 7000 МПа) и хрупкостью.

Перлит (П) – сплав – механическая смесь (эвтектоид) кристаллов двух фаз: феррита и цементита вторичного (Ц_II). Он кристаллизуется из аустенита (твердого раствора) с содержанием углерода 0,8 % при 727 °С. Точка S диаграммы, соответствующая этим значениям температуры и концентрации, называется эвтектоидной точкой, а линия PSK – эвтектоидной линией или линией перлитного превращения, на которой все сплавы данной системы заканчивают свою вторичную кристаллизацию (перекристаллизацию) образованием перлита. В зависимости от формы зерен цементита вторичного (перлит может быть пластинчатым и зернистым) и их размера характеристики его механических свойств изменяются в следующих пределах: s_в = 650 – 850 МПа, = 9 – 25 %, НВ = 160 – 2300 МПа.

1.2. Описание процесса кристаллизации
при охлаждении железоуглеродистых сплавов

Кристаллизация стали. В зависимости от содержания углерода в сплаве различают стали доэвтектоидные (С < 0,8 %), структура феррит + перлит (Ф + П); эвтектоидные (С = 0,8 %), структура перлит (П); заэвтектоидные (0,8 < С < 2,14 %), структура перлит + цементит вторичный (П + Ц_II).

Кристаллизация аустенита стали из жидкой фазы (первичная кристаллизация) начинается при температуре, соответствующей линии АС, заканчивается на линии АЕ. Область диаграммы АСЕ двухфазная (А + Ж). Ниже линии АЕ стали однофазны. Структура их состоит из кристаллов аустенита.

В доэвтектоидных сталях аустенитная структура сохраняется до температуры, соответствующей линии GS (910 – 727 °С) – начало полиморфного превращения (перекристаллизации) аустенита в феррит, которое зависит от содержания углерода в стали. В процессе охлаждения сплавов, соответствующих двухфазной области РGS, количество феррита в них увеличивается (концентрация углерода в феррите изменяется по линии РG), а аустенита уменьшается (концентрация углерода в нем изменяется по линии GS). При температуре 727 °С структура доэвтектоидных сталей состоит из зерен феррита предельной концентрации, соответствующей точке Р (0,02 % С), оставшийся аустенит будет иметь эвтектоидную концентрацию (0,8 % С) и в нем произойдет одновременная кристаллизация зерен феррита и цементита вторичного, т. е. аустенит перекристаллизуется в перлит. Структура – Ф +П.

В заэвтектоидных сталях однофазная структура сохраняется до температуры, соответствующей линии предельной растворимости углерода в аустените SЕ, ниже которой из пересыщенного аустенита избыточный углерод образует цементит, выделяющийся в виде сетки по границам аустенитных зерен. В результате этого содержание углерода в аустените изменяется от 2,14 % при 1147 °С, до 0,8 % при 727 °С и он превращается в перлит. Структура – П + Ц_II.

Кристаллизация белого чугуна. Белые чугуны с содержанием углерода менее 4,3 % называются доэвтектическими, их структура – перлит + ледебурит + цементит вторичный (П + Л + Ц_II). Чугуны с содержанием углерода 4,3 % – эвтектические, состоят из ледебурита (Л). 3аэвтектические чугуны (содержание углерода более 4,3 %) имеют структуру цементит первичный и ледебурит (Ц_I + Л).

В доэвтектических белых чугунах первичная кристаллизация начинается с образованием кристаллов аустенита при температуре соответствующей линии АС. При охлаждении сплавов в двухфазной области АСЕ количество аустенита увеличивается, концентрация углерода в нем изменяется по линии АЕ, а количество жидкой фазы уменьшается, концентрация ее в интервале температуры АЕ – ECF изменяется по линии АС. Кристаллизация оставшийся жидкой фазы эвтектической концентрации (4,3 % С) закончится при эвтектической температуре 1147 °С (линия ECF) образованием ледебурита. В результате охлаждения сплавов ниже линии ECF из предельно насыщенного углеродом аустенита выделяются кристаллы цементита вторичного и концентрация твердого раствора изменяется по линии ES с 2,14 до 0,8 %. В результате эвтектоидного превращения А П ледебурит в структуре белых чугунов при температуре ниже 727 °С состоит из перлита и цементита первичного. Структура доэвтектических белых чугунов – перлит, ледебурит и цементит вторичный (П + Л + Ц_II).

Ниже линии PSK фазовых и структурных превращений в железоуглеродистых сплавах не происходит.

Процесс кристаллизации заэвтектических белых чугунов происходит аналогично.

1.3. Описание методики построения кривых охлаждения сплавов
с использованием диаграммы состояния

Схема построения кривой охлаждения на примере заэвтектоидной стали с содержанием углерода 1,6 % показана на рис. 2. Для определения критических точек сплава через заданную концентрацию проводят сечение диаграммы плоскостью, параллельной оси температуры. Полученные точки пересечения с линиями диаграммы соответствуют температуре этих критических точек. Далее точки проектируются на координатное поле «температура – время» и соединяются линиями.

Пример описания структурных и фазовых превращений в сплаве с содержанием углерода 1,6 %. До температуры точки 1 (см. рис. 2) линии АС, соответствующей началу кристаллизации аустенита (примерно 1400°С), сплав в жидком состоянии охлаждается со скоростью печи. Процесс кристаллизации сплавов в двухфазных областях происходит не при постоянной температуре, как у чистых металлов, а в интервале температуры от линии ликвидус до линии солидус, так как концентрация фаз при ее снижении постоянно изменяется. Перегибы кривой охлаждения в точках 1 4 объясняются тем, что процессы кристаллизации в двухфазных областях сопровождаются выделением тепла и скорость охлаждения в интервале температуры, соответствующей процессу кристаллизации, заметно снижается.

В точке 2 на линии АЕ (примерно 1250 °С) (см. рис. 2) процесс кристаллизации аустенита из жидкой фазы заканчивается, и ниже этой температуры сплав состоит из зерен аустенита. До точки 3 на линии SE (примерно 920 °С) никаких превращений с выделением тепла в сплаве не происходит, скорость охлаждения его увеличивается до скорости охлаждения печи.

В точке 3 аустенит имеет предельную концентрацию по температуре, и ниже этой температуры из него начинается выделение избыточного углерода в высокоуглеродистую фазу – Fе₃С. Вследствие выделения скрытого тепла кристаллизации скорость охлаждения стали в интервале температуры 3 – 4 уменьшается, а содержание углерода в аустените изменяется по линии ES и снижается до 0,8 % при 727 °С. При указанных значениях температуры и концентрации аустенит распадается – вторичная кристаллизация сплава заканчивается образованием перлита. Так как перлитное превращение всегда происходит при постоянной температуре, на кривой охлаждения образуется горизонтальный учас-ток 4 – 4^I длиной, соответствующей продолжительности этого процесса. Ниже этой температуры фазовые и структурные превращения в сплаве отсутствуют. Структура – перлит и цементит вторичный (П + Ц_II)_.

По диаграмме состояния в каждой двухфазной области с помощью правила отрезков можно определить состав и количественное соотношение фаз любого сплава при любой температуре. Для определения состава фаз через фигуративную точку, например а, координаты которой 1300 °С, 1,6 % углерода (см. рис. 2), проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную двухфазную область диаграммы. Точки пересечения этих линий b и c проектируют на ось концентрации. Проекция точки b соответствует концентрации углерода в аустените этой стали при данной температуре – 1,1 %, а проекция точки c соответствует концентрации жидкого раствора 2,8 % С.

Длина отрезков этой линии между точкой а и точками b и с, определяющими составы фаз, обратно пропорциональна относительному количеству этих фаз в данном сплаве при заданной температуре: А = ac/bc; Ж = ab/bc.

Для сплава 1,6 % С (см. рис. 2) bc = 2,8 – 1,1 = 1,7 % С; ab = 1,6 – 1,1 = = 0,5 % С; ac = 2,8 – 1,6 = 1,2 % С.

Отсюда относительное количество аустенита в этом сплаве определяется отношением: А = 1,2/1,7 = 0,71 (71 %); относительное количество жидкой фазы Ж = 0,5/1,7 = 0,29 (29 %).

Эти правила справедливы в любой двухфазной области диаграммы. Например, сплав 1,6 % С (см. рис. 2) при 727 °С (фигуративная точка 4, конода – линия SK в двухфазной области SECFK) состоит из двух фаз: аустенит концентрации точки S – 0,8 и Ц_II концентрации точки K – 6,67 % С. Относительное количество цементита в сплаве при температуре 727 °С определяется длиной отрезка (S – 4) из его отношения к длине всей коноды: 0,8/(6,67 – 0,8) = 0,136 (13,6 %), а при 700 °С (двухфазная область, расположенная ниже линии РSK, конода – линия РK) отношением 1,6/6,65 = 0,24 (24 %). Количество феррита (концентрации точки Р) в этой стали при данной температуре составляет 76 % (100 – 24).

1.4. Определение критических точек стали при нагревании

В практике термической обработки сталей используются линии диаграммы РSК, GS, SE. Французский ученый Османд для удобства предложил обозначать эти линии следующим образом: РSК – А₁, GS – А₃, SE – А_см.

Так как при нагреве и охлаждении в процессе термической обработки положение этих линий не совпадает, то к предложенным обозначениям добавляются буквы: с – при нагреве (Ас₁, Ас₃, Ас_см ); r – при охлаждении (Аr₁, Аr₃, Аr_см). Для каждой стали эти значения можно найти в справочниках.

При нагревании стали различают следующие критические точки:

Ас₁ – критическая точка перлитного превращения. Температура ее 727 °С соответствует эвтектоидной линии перлитного превращения РSК. При этой температуре происходит перекристаллизация перлита в аустенит (П А).

В доэвтектоидных сталях при темературе выше Ас₁ начинается перекрис-таллизация в аустенит структурно свободного феррита. Этот процесс заканчивается при температуре, соответствующей линии GS, выше которой стали однофазны. Структура этих сталей состоит из зерен аустенита.

Ас₃ – критическая точка полной перекристаллизации в аустенит доэвтектоидной стали: (Ф + А) А. Температура критической точки Ac₃ определяется по линии GS в зависимости от содержания в стали углерода.

В заэвтектоидных сталях выше Ас₁ начинается процесс растворения избыточного цементита в аустените. Этот процесс заканчивается при температуре, соответствующей линии SЕ, выше которой стали однофазны и имеют аустенитную структуру.

Ас_см – критическая точка полной перекристаллизации в аустенит заэвтектоидной стали: (А + Ц) А. Температура критической точки Ас_см определяется по линии SЕ в зависимости от содержания углерода в стали.

Известны еще две критические точки, соответствующие температуре магнитнитного превращения в железоуглеродистых сплавах:

Ас₀ – 210 °С – критическая точка магнитного превращения цементита. При этой температуре цементит становится немагнитным;

Ас₂ – 768 °С (точка Кюри) – критическая точка магнитного превращения феррита, она соответствует температуре превращения магнитного -Fe в парамагнитное -Fe.

1.5. Порядок выполнения работы

1) Начертить диаграмму состояний «железо – цементит», оставив справа от нее место для построения кривых охлаждения. Изучить компоненты данной системы, фазы и структурные составляющие ее сплавов.

2) Ознакомиться по диаграмме (см. рис. 1) с процессом кристаллизации железоуглеродистых сплавов, с фазовым составом и структурой в каждой области диаграммы.

3) Справа от диаграммы на координатном поле «температура – время» построить кривую охлаждения данного сплава в соответствии с вариантом задания (таблица). Описать, какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода. Охарактеризовать этот сплав, используя правило отрезков, определить для него при заданной температуре количество, состав фаз и их процентное соотношение.

Исходные данные для выполнения индивидуального задания

1.6. Содержание отчета

1) Диаграмма состояния Fe – Fe₃C с указанием координат по температуре и концентрации углерода характерных точек, обозначением фаз и структурных составляющих в каждой ее области.

2) Краткая характеристика каждой структурной составляющей (определение, содержание углерода в зависимости от температуры, механические свойства).

3) Кривая охлаждения сплава заданной концентрации углерода (согласно варианту, см. таблицу), его характеристика, описание превращения сплава при его охлаждении из состояния жидкого раствора до полного охлаждения. Определение концентрации и процентное содержание фаз сплава при заданной температуре.

4) Описание критических точек сталей при нагревании и сущность структурных и фазовых превращений при этих значениях температуры.

1.7. Вопросы для самоконтроля

1) Что называется диаграммой состояния сплавов? Ее практическое значение. В чем сущность линий ликвидус и солидус?

2) Назовите аллотропические превращения железа. Что такое твердый раствор, каким он бывает?

3) Дайте определение системы, компонента, фазы, структурной составляющей.

4) На каких линиях диаграммы в равновесии находятся три фазы?

5) Какие структурные составляющие железоуглеродистых сплавов имеют наименьшую и наибольшую твердость?

6) Как обозначаются критические точки сталей? Каким линиям диаграммы они соответствуют? Какие превращения в них происходят?

7) В чем состоит сущность эвтектического и эвтектоидного превращений, соответствующих им линий и точек диаграммы?

8) Почему на кривой охлаждения сплава есть наклонные линии и горизонтальные участки?

Библиографический список

1. Бычков Г. В. Материаловедение: Конспект лекций / Г. В. Бычков, А. А. Ражковский, А. В. Смольянинов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. Ч. 1. 57 с.

2. Материаловедение и технология конструкционных материалов для железнодорожной техники / Под ред. Н. Н. Воронина. М.: Маршрут, 2004. 456 с.

Учебное издание

РАУБА Александр Александрович,

РАЖКОВСКИЙ Александр Алексеевич,

ПЕТРОЧЕНКО Сергей Валерьевич,

ТИХОМИРОВ Владимир Игнатьевич

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ «УПРАЖНЕНИЯ ПО ДИАГРАММЕ

СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ»

Редактор Н. А. Майорова

***