на каком участке диаграммы происходит эвтектоидная реакция

Основные линии диаграммы железо-цементит

Линия ABCD – это линия ликвидус. Она говорит о том, что любой сплав при температурах, лежащих выше этой линии, находится полностью в жидком состоянии. При пересечении сплавом этой линии в процессе нагревания здесь заканчивается процесс плавления, а при пересечении этой линии в процессе охлаждения здесь будет начинаться процесс кристаллизации.

Линия AHJECF – это линия солидус. Она говорит о том, что любой сплав при температурах, лежащих ниже этой линии, находится полностью в твердом состоянии. При пересечении сплавом этой линии в процессе охлаждения здесь заканчивается процесс кристаллизации, а при пересечении этой линии в процессе нагревания здесь будет начинаться процесс плавления.

Линия HJB– это граница перитектической реакции. На этой линии при постоянной температуре 1499 °С идет перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза (Ж) реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (δ), в результате чего образуется аустенит (А): .

Линия ECF– это граница эвтектической реакции. На этом участке при постоянной температуре 1147 °С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита: .

Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого А. Ледебура, содержит 4,3 % углерода.

Линия PSK – это граница эвтектоидной реакции. По линии PSK при постоянной температуре 727 °С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита: .

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8% углерода. Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

Линия AHN – это граница предельной растворимости углерода в δ-железе. Твердый раствор углерода в δ-железе получил название высокотемпературного феррита. На отечественных диаграммах он чаще всего обозначается греческой буквой δ.

Линия NJESG– это граница предельной растворимости углерода в γ-железе. Твердый раствор углерода в γ-железе получил название аустенита. На отечественных диаграммах он обычно обозначается прописной буквой А.

Линия QPG– это граница предельной растворимости углерода в α-железе. Твердый раствор углерода в α-железе получил название феррита. На отечественных диаграммах чаще всего он обозначается прописной буквой Ф.

Линия ES– граница перенасыщения аустенита углеродом. При пересечении сплавом этой линии в процессе охлаждения на ней выделяется вторичный цементит, а в процессе нагревания – исчезает вторичный цементит.

Линия PQ– это граница перенасыщения углеродом феррита. При пересечении сплавом этой линии в процессе охлаждения из феррита будет выделяться третичный цементит, а в процессе нагревания – будет исчезать третичный цементит.

Примеры анализа диаграммы

ПРИМЕР 1:

Задание. Провести анализ стали 30. Указать фазы и структурные составляющие для всех областей диаграммы, относящихся к исследуемому сплаву. Построить кривую охлаждения и описать все превращения, происходящие при охлаждении сплава от жидкого состояния до комнатной температуры. Используя правило отрезков, определить количественное соотношение структурных составляющих при температуре 750 °С.

Поскольку в стали 30 содержится 0,3 % углерода, отметим на диаграмме состояния этот сплав штрихпунктирной линией. В связи с тем, что у данного сплава очень близко друг к другу расположены линии диаграммы, не дающие возможности получить четкие иллюстрации, поэтому придется начертить в увеличенном масштабе левый верхний угол и нижнюю часть диаграммы (рисунки 2, 3).

Рисунок 2 – Анализ левого верхнего угла

Анализ верхнего левого угла диаграммы состояния

Для определения выделяющейся фазы необходимо из точки пересечения сплавом линии ликвидус в рассматриваемойобласти провести горизонтальную линию (коноду) до пересечения с ближайшей линией диаграммы. Если конода пересечет наклонную линию диаграммы, это будет указывать на выделение из жидкости кристаллов твердого раствора. При этом, направление коноды укажет на компонент растворитель. Если конода пересечет вертикальную линию диаграммы, то будет выделяться та фаза, которая располагается на этой линии.

Применим это правило для температуры t₁. Конода в данном случае пересекает наклонную линию АН, поэтому начнут выделяться кристаллы твердого раствора. Конода направлена в сторону, где располагается δ-железо. Поэтому оно будет растворителем, и в нем будет растворяться углерод. Но твердый раствор углерода в δ-железе представляет собой высокотемпературный феррит. Таким образом, при температуре t₁ из жидкости начнут выделяться кристаллы высокотемпературного феррита или, иначе, δ-фазы.

Процесс выделения δ-фазы будет идти в интервале температур t₁…t₂. Поэтому в указанном температурном интервале будут находиться две фазы – жидкость + кристаллы δ-фазы (Ж+δ).

При температуре t₂, лежащей на границе перитектической реакции, жидкость принимает концентрацию точки В, а кристаллы δ-фазы – концентрацию точки Н. Начинается перитектическая реакция, сущность которой заключается в том, что жидкость, взаимодействуя с ранее выделившимися кристаллами, образует новые кристаллы. Эти новые кристаллы определяются фазой, лежащей ниже перитектической точки (точка J), а под этой точкой находится аустенит: Ж_В + δ_Н → А_J

При протекании перитектической реакции на кривой охлаждения всегда будет появляться горизонтальная площадка, которая будет существовать до тех пор, пока не закончится реакция.

После завершения перитектической реакции, если только сплав не проходил через перитектическую точку, одна, из ранее существовавших фаз, окажется избыточной. Для определения избыточной фазы существует правило: если участок пересечения границы перитектической реакции не является линией солидус, то в избытке будет оставаться жидкая фаза, в противном случае – твердая фаза.

В нашем случае участок JB не является линией солидус, поэтому в избытке после перитектической реакции будет оставаться жидкая фаза. Таким образом, в интервале температур t₂. t₃ в сплаве будут находиться две фазы: избыточное количество жидкости и кристаллы аустенита.

Анализ нижней части диаграммы состояния. (рисунок 3).

При температуре t₄, как было установлено в результате предыдущего анализа, находится только аустенит. При пересечении линии GS (температура t₅) из аустенита начнет выделяться новая твердая фаза. Для определения этой фазы из точки t₅ проводим в рассматриваемой области коноду до пересечения с ближайшей линией диаграммы. Такая конода пересекает наклонную линию PG, указывающую на выделение новых кристаллов твердого раствора. Поскольку конода здесь направлена на участок ординаты, где находится α-железо, оно и будет растворителем углерода, но твердый раствор углерода в α-железе – есть феррит. Таким образом, при температуре t₅ из аустенита начнут выделяться кристаллы феррита.

Рисунок 4 – Анализ нижней части диаграммы

Процесс выделения этих кристаллов будет в интервале температур t₅…t₆. При этом концентрация углерода в аустените с понижением температуры будет меняться по линии t₅ – S. При температуре t₆ концентрация углерода в аустените будет соответствовать точке S, т.е. 0,8%. Так как и точка S, и точка t₆ лежат на границе эвтектоидной реакции, то начинается и сама реакция, сущность которой заключается в том, что из аустенита одновременно начнут выделяться две фазы, образуя механическую смесь. Продукт такой смеси будет определяться крайними точками границы реакции: с одной стороны это феррит (точка P), с другой – цементит (точка K): А_S→ (Ф_P + Ц_К)

Такая механическая смесь получила название перлита.

На кривой охлаждения прохождение эвтектоидной реакции всегда отмечается появлением горизонтальной площадки.

После завершения эвтектоидной реакции дальнейшее снижение температуры не приведет больше ни к каким структурным превращениям, т.к. ниже t₆ сплав больше никаких линий диаграммы не пересекает

Таким образом, окончательная структура стали 30 при комнатной температуре будет состоять из продукта эвтектоидной реакции – перлита и структурно свободного феррита, который не принимал ни какого участия в реакции.

Нередко, при анализе какого-либо сплава возникает необходимость определения состава фаз и их количественного соотношения при конкретной температуре.

Чтобы определить состав сплава при какой-то температуре, необходимо из заданной температурной точки провести коноду до пересечения с той линией диаграммы, которая является границей существования исследуемой фазы в чистом виде. Проекция точки пересечения на ось состава укажет состав исследуемой фазы.

Для определения количественного соотношения фаз необходимо из заданной температурной точки провести две коноды до пересечения с теми линиями диаграммы, которые являются границами предельного существования исследуемых фаз в чистом виде. В результате мы получим два отрезка, и тогда количество одной фазы будет так относиться к количеству другой фазы, как относятся отрезки, противолежащие этим фазам.

Таким образом, правило отрезков, применительно поставленной задаче можно записать следующим образом:

Таким образом, при температуре 750 °С в стали 30 на 28 частей аустенита будет приходиться 38 частей феррита.

ПРИМЕР 2:

Задание. Провести анализ стали У13. Указать фазы и структурные составляющие для всех областей диаграммы, относящихся к исследуемому сплаву. Построить кривую охлаждения и описать все превращения, происходящие при охлаждении сплава от жидкого состояния до комнатной температуры. Используя правило отрезков, определить количественное соотношение структурных составляющих при температуре 750 °С.

Рисунок 4 – Анализ стали У13

При температуре t₃ сплав пересекает линию ES, что свидетельствует о начале выделения из аустенита новой твердой фазы. Для определения выделяющейся фазы необходимо из точки пересечения сплавом линии ES провести в рассматриваемой области коноду до пересечения ее с ближайшей линией диаграммы. Такой ближайшей линией диаграммы будет являться крайняя правая ордината. Поскольку это вертикальная линия и на ней располагается чистый цементит, то эта фаза и начнет выделяться из аустенита.

Проследим последовательность выделения цементита. Он выделяется из аустенита, который, в свою очередь выделился из жидкости. Процесс выделения кристаллов из жидкости – это первичная кристаллизация, а выделения новых кристаллов из ранее существовавших – это вторичная кристаллизация. Таким образом, выделяющийся цементит является продуктом вторичной кристаллизации, и получил название вторичного цементита.

По завершению эвтектоидной реакции мы будем наблюдать дальнейшее снижение температуры, но т.к. ниже t₄ сплав больше ни каких линий диаграммы не пересекает, то и ни каких больше превращений не будет. Таким образом, окончательная структура при комнатной температуре будет состоять из продукта эвтектоидной реакции перлита и структурно свободной фазы вторичного цементита, который не принимал участия в реакции.

Для определения количественного соотношения фаз при температуре 750 °С (точка t₃’ ) из этой температурной точки проведем две коноды: до пересечения с линией ES (граница предельного существования аустенита в чистом виде) и с крайней правой ординатой (область существования чистого цементита). Получим два отрезка: ct₃’, который является противолежащим цементиту отрезком, и t₃’d (точка на пересечении с крайней правой ординатой), который является противолежащим аустениту отрезком. Проекция точки c на ось состава дает нам концентрацию 0,9 % углерода, а проекция точки d – 6,67% углерода. Тогда правило отрезков можно записать: , т.е. на 53,7 частей аустенита будет приходиться 4 части цементита.

ПРИМЕР 3:

Задание: Провести анализ белого чугуна с концентрацией углерода 2,6 %.

Рисунок 5 – Анализ чугунной части диаграммы

При температуре t₂ жидкость приобретает концентрацию точки С (4,3% углерода) и начинается эвтектическая реакция. Сущность этой реакции состоит в том, что из жидкости начинают одновременно выделяться две фазы, образуя механическую смесь. Продукт этой реакции будет определяться крайними точками ее границы: Ж_С→ (А_Е + Ц_F). В результате такой реакции образуется механическая смесь аустенита и цементита, которая получила название высокотемпературного ледебурита или ледебурита на аустенитной основе.

Ниже t₂ в структуре сплава будут находиться зерна продукта эвтектической реакции – ледебурита и кристаллы аустенита, который не принимал участия в реакции. Однако здесь следует учесть то обстоятельство, что кристаллы аустенита, по мере охлаждения от t₂ до t₃, будут постоянно менять свой состав по линии ES. То есть, концентрация углерода в аустените будет меняться с 2,14% (точка E) до 0,8% (точка S). Такое уменьшение концентрации углерода в аустените будет приводить к перенасыщению аустенита углеродом. В результате перенасыщения из аустенита начнет выделяться фаза, имеющая более высокую концентрацию углерода, чем у аустенита. Такой фазой будет являться вторичный цементит.

Таким образом, в интервале температур t₂…t₃ будут находиться: А+Л+Ц.

При температуре t₃ структурно свободный аустенит и аустенит, входящий в состав ледебурита, принимают концентрацию точки S и начинается эвтектоидная реакция, в результате которой из аустенита начнут образовываться зерна перлита.

После завершения эвтектоидной реакции дальнейшее снижение температуры не приведет больше ни к каким структурным превращениям, т.к. ниже t₃ сплав не пересекает никаких линий диаграммы.

Таким образом, структура такого чугуна при комнатной температуре будет состоять из перлита (продукта эвтектоидной реакции), ледебурита, но он будет уже на перлитной основе, и вторичного цементита.

Определим количественное соотношение фаз (жидкости и аустенита) при температуре t₁’. Для этой цели из заданной температурной точки проведем две коноды: одну до линии JE (граница чистого аустенита), другую – до линии ВС (граница жидкости в чистом виде). В результате получаем два отрезка: lt₁’ и t₁’m, тогда: , т.е. при температуре t₁’ в сплаве будет находиться 13 частей жидкости и 3 части кристаллов аустенита.

ПРИМЕР 4:

Задание: провести анализ чугуна с концентрацией углерода 4,8 %.

В интервале температур t₅…t₆ в структуре сплава будут находиться ледебурит на аустениной основе и структурно-свободный цементит.

При температуре t₆ начнется эвтектоидная реакция, в результате которой ледебурит на аустенитной основе будет превращаться в ледебурит на перлитной основе

Ниже t₆ структура сплава будет состоять из ледебурита на перлитной основе и структурно-свободного цементита.

Теперь определим количественное соотношение структурных составляющих для этого сплава при комнатной температуре. Мы имеем два отрезка: один отрезок от концентрации углерода 4,8 % до 4,3 % – отрезок противолежащий цементиту, другой – от 6,67 % до 4,8 %, который является противолежащим ледебуриту. Тогда правило отрезков запишется:

, т.е. на 18,7 частей ледебурита будет приходиться 5 частей цементита.

Источник

Изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов

ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов. Разобраться с превращениями, происходящими в железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении и нагреве.

Диаграмма состояния системы Fe – Fe3C.

Фотографии микроструктур железоуглеродистых сплавов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Диаграмма железоуглеродистых сплавов может быть представлена в двух вариантах: метастабильном, отражающем превращения в системе «железо-карбид железа», и стабильном, отражающем превращения в системе «железо-графит». Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния «железо-карбид железа», т. к. для большинства технических сплавов превращения реализуются по этой диаграмме.

Карбид железа (Fe3C) называют цементитом, поэтому метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния «железо-цементит» (Fe-Fe3C).

Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, которые относятся к полиморфным элементам. В железоуглеродистых сплавах эти элементы взаимодействуют, образуя различные фазы. Под фазой в общем смысле понимается однородная часть системы, имеющая одинаковый химический состав, физические свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Взаимодействие железа и углерода состоит в том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Помимо этого он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом в железоуглеродистых сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит.

Аустенит (обозначают A или γ) – твердый раствор внедрения углерода в Feγ. Имеет ГЦК – решетку, растворяет углерода до 2,14 %, немагнитен, твердость (HB 160-200).

Феррит (обозначают Ф или α) – твердый раствор внедрения углерода в Feα. Имеет ОЦК – решетку, растворяет углерода до 0,02 % (727 ºC), при 20 ºC менее 0,006 %, ферромагнитен до температуры 769 ºC, твердость (HB 80-100).

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (Fe3C). Содержит 6,67 % C. При нормальных условиях цементит тверд (HB 800) и хрупок. Слабо ферромагнитен до 210 ºC.

Превращения в железоуглеродистых сплавах

Диаграмма состояния Fe-Fe3C (рис. 1) показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита.

Превращения в железоуглеродистых сплавах происходит как при кристаллизации (затвердевании) жидкой фазы (Ж), так и в твердом состоянии.

Рис. 1. Диаграмма состояния Fe – Fe3C

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, ограни-ченных линиями ликвидус (ACD) и солидус (AECF).

Вторичная кристаллизация происходит за счет превращения железа одной аллотропической модификации в другую и за счет изменения растворимости углерода в аустените и феррите, которая уменьшается с понижением температуры. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В сплавах системы Fe-Fe3C происходят следующие изотермические превращения:

Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 ºC)

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 ºC)

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита – перлитом (П). Ледебурит содержит 4,3 % углерода. При охлаждении ледебурита ниже линий PSK входящий в него аустенит превращается в перлит и при нормальной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным (Л пр). Цементит в этой структурной составляющей образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита объясняет его большую твердость (HB 700) и хрупкость.

Перлит содержит 0,8 % углерода. В зависимости от формы частичек цементит бывает пластинчатый и зернистый. Является прочной структурной составляющей с твердостью (HB210).

Линии диаграммы состояния Fе – Fе3C

Линии диаграммы представляют собой совокупность критических точек сплавов с различным составом, характеризующих превращения в этих сплавах при соответствующих температурах.

Рассмотрим значение линий диаграммы при медленном охлаждении.

ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.

AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита.

CD – линия выделения первичного цементита.

AE – заканчивается кристаллизация аустенита.

ECF – линия эвтектического превращения.

GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727 ºC).

GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита.

PSK – линия эвтектоидного превращения.

ES – линия выделения вторичного цементита.

PQ – линия выделения третичного цементита.

Области диаграммы состояния Fe – Fe3C

Линии диаграммы: делят все поле диаграммы на области равновесного существования фаз. Каждой области диаграммы соответствует определенное структурное состояние, сформированное в результате происходящих в сплавах превращений.

I – Жидкий раствор (Ж).

II –Жидкий раствор (Ж) и кристаллы аустенита (А).

III – Жидкий раствор (Ж) и кристаллы цементита первичного (ЦI).

IV – Кристаллы аустенита (А).

V – Кристаллы аустенита (А) и феррита (Ф).

VI – Кристаллы феррита (Ф).

VII – Кристаллы аустенита (А) и цементита вторичного (ЦII).

VIII – Кристаллы феррита (Ф) и цементита третичного (ЦIII).

IX – Кристаллы феррита (Ф) и перлита (П).

X – Кристаллы перлита (П) и цементита вторичного (ЦII).

XI – Кристаллы аустенита (А), ледебурита (Л) и цементита вторичного (ЦII).

XII – Кристаллы перлита (П), цементита вторичного (ЦII) и ледебурита превращенного(Л пр).

XIII –Кристаллы ледебурита и цементита первичного (ЦI).

XIV – Кристаллы цементита первичного (ЦI)перлита (П) и ледебурита превращенного (Л пр).

3. Диаграмма состояния Fe – Fe3C с обозначением фаз и структурных состовляющих по всем областям диаграммы.

4. Характеристика линий и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов.

5. Подробное описание изменений структуры при медленном охлаждении контрольного сплава. (Фрагмент диаграммы с контрольным сплавом).

Рис. 2. Фрагмент диаграммы состояния Fe – Fe3C с нанесенной ординатой

состава сплава, содержащего 1,3 % C.

6. Схема микроструктуры контрольного сплава при нормальной температуре.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

2. Что такое аустенит?

3. Что такое феррит?

4. Что такое цементит?

5. Какими линиями диаграммы ограничивается температурный интервал первичной кристаллизации?

6. В чем состоит сущность эвтектического превращения?

7. В чем состоит сущность эвтектоидного превращения?

8. Что такое ледебурит?

9. Что такое перлит?

10. На какой линии происходят эвтектические превращения?

11. На какой линии происходят эвтектоидные превращения?

12. Линия выделения первичного цементита?

13. Линия выделения вторичного цементита?

14. Линия выделения третичного цементита?

15. Назовите фазы железоуглеродистых сплавов.

16. Максимальное растворение углерода в Feα?

17. Максимальное растворение углерода в Feγ?

18. Содержание углерода в цементите?

19. При какой температуре происходит эвтектическое превращение?

20. При какой температуре происходит эвтектоидное превращение?

Источник