на каком участке диаграммы железо цементит протекает 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

Диаграмма состояния железо-цементит

Ж+F – ферритная область.

F+A – ферритная + аустенитная.

ЦI – цементит первичный.

Железо– металл, плавящийчя при температуре 1539 о С и относящийся к полиморфным.

Полиморфизм – это возможность существования металлов в различных кристаллических модификациях.

В интервале 1539 о С – 1392 о С железо имеет ОЦК решетку.

В интервале 1392 о С – 911 о С железо имеет ГЦК решетку.

При температуре менее 911 о С железо имеет ОЦК решетку.

При температуре 768 о С железо из ферромагнитного переходит в паромагнитном состояние, т.е. становится немагнитным. Это т.н. точка Кюри.

Железо сравнительно мягкий металл: s_в=250 МПа, НВ 80.

Цементит – химическое соединение, отвечающее формуле Fe3C. Образуется при строго определенном количестве атомов Fe и C, причем доля C составляет 6,67%. Цементит является наиболее твердой фазой железоуглеродистых сплавов (НВ 800). При нагреве в определенных условиях цементит может распадаться с образованием железа и углерода в свободном состоянии в виде графита. Способность цементита к разложению положена в основу получения чугунов.

На диаграмме состояния железа-цементит линия ABCD – линия липидус, а AHIECF – солидус.

На диаграмме состояния есть две области, прилегающие к ординате, на которых откладывают температуру компонента железа, область феррита и область аустенита. Вообще на диаграмме можно выделить 4 фазы: жидкость, феррит, аустенит и цементит.

Ферит– твердый раствор углерода в a-железе. Феррит имеет ОКЦ решетку. Чисто ферритные области: AHN (1539 о С – 1392 о С) (высоко температурный феррит) и AGPQ (911 о С и до комнатной).

Аустенит– твердый раствор углерода в g-железе. Имеет ГЦК решетку. Область чистого аустенита MIESG.

На диаграмме видно три горизонтальных линии, при температуре которых протекают нонвариантные рекации (С=0).

По линии HIB при Т=1499 о С протекает перетектическая реакция, в результате которой жидкость состава точки B взаимодействует с кристаллами феррита в точке Н с образованием кристаллов аустенита в точке I.

По линии ECF при Т=1147 о С протекает эвтектическая реакция, в результате которой жидкость в точке C распадается на аустенит в точке E и цементит. Механическая смесь аустенита и цементита в интервале T=1147 о С – 727 о С получила название ледебурит.

По линии PSK при Т=727 о С протекает эвтектоидная реакция, в результате которой аустенит в точке S распадается на феррит в точке P и цементит. Механическая смесь феррита и цементита получила называние перлит.

Эвтектика отличается от эвтектоида тем, что первая протекает с участием жидкой фазы. Вторая является результатом распада твердого раствора. В связи с тем, что при температуре меньше 727 о С аустенита быть не может, ледебурит видоизменяется и в интервале T=727 о С – 20 о С ледебурит – механическая смесь из перлита и цементита.

На диаграмме видны линии ограниченной растворимости (PQи SE).

При Т=20 о С количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,01% (в точке Q). При Т=727 о С количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,02% (в точке P). Следовательно, при охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ОЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита третичного. Аналогичное наблюдается и при растворении углерода в ГЦК решетке, если при Т=727 о С (точка S) углерод составляет 0,8%, то при Т=1147 о С (точка Е) – 2,14%. При охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ГЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита вторичного. По химическому составу цементит первичный, вторичный и третичный не отличаются. Это для того, чтобы отличить цементит, выделившийся из жидкости, из аустенита и из феррита.

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталь. Стали подразделяются на доэвтектоидные, с содержанием углерода до 0,8% (феррит + перлит), эвтектоидные – 0,8% (перлит), заэвтектоидные–от 0,8% до 2,14% (перлит + цементит II). Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14% называют чугунами: доэвтектоидные–от 2,14% до 4,3% (перлит + ледебурит + цементит), эвтектический –4,3% (ледебурит), заэвтектический – от 4,3% до 6,67% (ледебурит + цементит I).

2.Наклёп — упрочнение поверхности металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации, при температуре ниже температуры рекристаллизации. Наклёп сопровождается выходом на поверхность образца дефектов кристаллической решётки, увеличением прочности и твёрдости и снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металлов деформации противоположного знака

Упрочнение деталей наклёпом

В машиностроении наклёп используется для поверхностного упрочнения деталей. Наклёп приводит к возникновению в поверхностном слое детали благоприятной системы остаточных напряжений, влияние которых главным образом и определяет высокий упрочняющий эффект поверхностной пластической деформации (ППД), выражающийся в повышении усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Для получения упрочненного наклёпом поверхностного слоя заготовку подвергают обработке различными видами ППД, например, обкатка роликами, дробеструйная обработка, поверхностноедорнование и др.

Стали для азотирования

Азотируемые детали, от которых требуется высокая твердость и износостойкость, изготовляют из сталей 38ХМЮА и 38ХВФЮА (гильзы цилиндров двигателей, шпиндели, втулки, валики и др.)-Сталь 38ХМЮА имеет высокие механические свойства (твердость после закалки НВ 420—480, после закалки и отпуска при 600— 625° С НВ 260—290), прокаливаемость до 50 мм, твердость азотированного слоя НУ 1000—1200. Сталь 38ХВФЮА содержит меньше алюминия и не имеет в своем составе дефицитного молибдена. Прочность и прокаливаемость этой стали такие же, как и стали 38ХМЮА; азотированный слой менее хрупок, но твердость его ниже (НУ 850—950).

Ответственные детали высокой прочности и вязкости, работающие в условиях повторно-переменных нагрузок (коленчатые валы, зубчатые колеса, шатуны и др.), изготовляют из сталей 30Х2НВФА, 18Х2Н4ВА, 40ХНВА и др. Эти стали обладают большой прокаливаемостью (например, сталь 18Х2Н4ВА при закалке с охлаждением в масле прокаливается насквозь в сечении до 120—150 мм), и поэтому их применяют для изготовления деталей больших размеров. Поверхностная твердость этих сталей после азотирования НУ 600—850.

Азотированию подвергают также детали из коррозионностой-ких, жаростойких и жаропрочных сталей, работающих на трение в агрессивных средах и при высоких температурах; матрицы и пуансоны для горячей штамповки, пресс-формы из инструментальных сталей для литья под давлением (Х12Ф1, ЗХ2В8Ф и др.); пружины из сталей 50ХФА, 60С2.

Для азотирования целесообразно применять стали, содержащие титан. В сталях с содержанием 0,25—0,4% С, имеющих соотношение Л/С от 6,5 до 9,5, получаются нехрупкие, хорошо сцепленные с основой азотированные слои твердостью НУ 850— 950.

Источник