Стабильная и метастабильная диаграмма равновесия

В железоуглеродистых сплавах графит в отличии от цементита, является стабильной фазой. Сплавляя железо с углеродом и варьируя содержание этих элементов, получают сплавы с различной структурой и свойствами. В случае, когда высокоуглеродистой фазой является цементит, фазовое состояние сплавов описывается диаграммой метастабильного равновесия системы Fe-Fe₃C. Если же в силу определенных условий вместо цементита кристаллизуется графит, рассматривается диаграмма стабильного равновесия системы Fe-C. Нередко структурообразование сплавов изучается по обеим диаграммам, вычерчиваемым в одной координатной системе (рис. 4, а): Fe–C – пунктирными линиями, Fe–Fe₃C – сплошными.

Чтение диаграммы состояния Fe–С принципиально не отличается от чтения диаграммы состояния Fe–Fе₃С, но во всех случаях из сплавов выпадает не цементит, а графит. Железоуглеродистые сплавы могут кристаллизоваться в соответствии с диаграммой Fe–С только при весьма медленном охлаждении и наличии графитизирующих добавок (Si, Ni и др.).

На диаграмме стабильного равновесия в интервале температур ликвидус D'C' – солидус С'F' из жидкости выделяется графит. При эвтектической температуре 1153°С (изотерма E'C'F') жидкость состава С' затвердевает с образованием графитной эвтектики (А_Е' + Г). В интервале температур E'C'F' – P'S'K' из-за уменьшения растворимости углерода в аустените (линия E'S') выделяется графит. При эвтектойдной температуре (t_P'S'K' = 738°С) содержание

Рис. 4 Диаграмма метастабильного равновесия (сплошная линия) и стабильного (пунктир) равновесия железоуглеродистых сплавов (а) и кривая охлаждения сплава, содержащего 0,4%С (б)

углерода в аустените достигает 0,7% (S') и аустенит распадается на феррит и графит.

6. Структурообразование в охлаждаемой стали с 0,4%

В качестве примера рассмотрим процесс структурообразования в охлаждаемой стали с 0,4%С (рис. 4, б). Выше точки t₁ сталь находиться в жидком состоянии и непрерывно охлаждается. В интервале температур t₁ – t₂ из жидкой фазы, состав которой изменяется по ликвидусу АВ, выпадают кристаллы δ-феррита. Состав их определяется с помощью коноды по солидусу АН (Ж_АВ→δ-Ф_АН); С = 2 – 2 + 1 = 1, t≠const. При кристаллизации выделяется теплота, на участке кривой t₁ – t₂ охлаждение сплава замедляется.

При температуре t₂ происходит трехфазное перитектическое превращение; С = 2 – 3 + 1 = 0, t=const. Жидкость взаимодействует с ранее выпавшими кристаллами δ-феррита состава Н. В результате образуется новая твердая фаза – аустенит состава I: Ж_(В) + δ_(Н)→А_(I).

Для того чтобы жидкость и δ-феррит без остатка были израсходованы на образование аустенита (перитектическое превращение в сплаве состава I), необходимы следующие соотношения их массовых долей: , или 3 части жидкости и 17 частей δ-феррита.

В рассматриваемой стали (0,4%С) при температуре t₂ находится 75% жидкости () и 25% δ-феррита (), или 15 частей жидкости и 5 частей δ-феррита. Нетрудно видеть, что после перитектического превращения в стали с 0,4%С в избытке остается жидкая фаза: Ж_В + δ → А_I + Ж (избыток).

Избыточная жидкость кристаллизуется при непрерывном охлаждении в интервале t₂ – t₃ с образованием аустенита. В интервале t₃ – t₄ закристаллизовавшийся сплав, имеющий структуру А, непрерывно охлаждается. При температурах t₄ – t₅ происходит полиморфное превращение, ГЦК перестраивается в ОЦК решетку, т.е. аустенит, состав которого меняется по линии GS, превращается в феррит (по GP). По мере превращения массовая доля аустенита уменьшается, содержание же углерода в нем увеличивается. Образующаяся решетка феррита (ОЦК) при данных температурах энергетически более выгодна, чем аустенита (ГЦК), и при перестройке решеток выделяется теплота, поэтому сплав на участке t₄ – t₅ охлаждается замедленно.

При t₅ происходит трехфазное эвтектойдное превращение (изотера t₅ на кривой охлаждения) А_S → Ф_Р + Ц_К, когда из аустенита, не перешедшего в феррит, образуется перлит (Ф + Ц). В процессе дальнейшего охлаждения сплава из феррита выделяется Ц_III, наслаивающийся на цементите перлитом. Структура охлаждающейся стали при температурах ниже t₅ – Ф + П.

Массовый доли (%) феррита и перлита как структурных составляющих стали с допустимой погрешностью могут быть определены по правилу отрезков. Например, при 600°С . Массовая доля феррита как фазы, существующей вместе с цементитом, . Остальные 6% приходятся на долю другой фазы – цементита.

Таким образом, структура медленно охлажденной стали, содержащей 0,4 %С, состоит из 50% феррита и 50%перлита.

Задание:

1. Вычертить диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов, обозначив буквами ее линии, указав значения температур и содержание углерода.

2. Указать кристаллическое строение и свойства компонентов сплавов.

3. Описать фазы и структурные составляющие сплавов, указать их в областях диаграммы.

4. Записать и объяснить реакции образования фаз и структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах согласно их диаграмме.

5. Построить и проанализировать с применением правила фаз Гиббса кривую охлаждения (нагрева) сплава, заданного преподавателем, а также кривую охлаждения сплава с 0,4 % С.

6. Определить составы фаз и структурных составляющих, их массовые доли в исследуемом сплаве при температурах, заданных преподавателем.

7. Написать отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами заданий