5 задач по материаловедению, вариант 7. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, оп

Задание 1.

Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,7%С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

В сплавах системы Fe-Fe3C встречаются следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы на основе различных кристаллических модификаций железа, химическое соединение Fe3C (цементит). На рис. 1 представлена диаграмма состояния железо-цементит в фазовом виде.

Рис. 1. Фазовая диаграмма состояния железо-цементит Жидкая фаза представляет собой неограниченный раствор железа и углерода, распространяющийся выше линии ликвидус АСD — от 0 до 6,67%С.

Твердые растворы. В данной системе имеются твердые растворы железа с углеродом на основе двух кристаллических модификаций железа. Они являются твердыми растворами внедрения, т. е. атомы железа занимают узлы пространственной решетки, а атомы углерода размещаются в междоузлиях.

Твердый раствор углерода в  -железе называется ферритом. В феррите сохраняется кристаллическая решетка  -железа — объемно-центрированный куб. Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу QPG. Максимальная растворимость углерода в нем не более 0,025%, при комнатной температуре она равна 0,006%.

До температуры 770 ºС феррит ферромагнитен, выше — парамагнитен. Значительно большую область на диаграмме железо-углерод занимает твердый раствор углерода в -железе с гранецентрированной кубической решеткой, который называется аустенитом.

В аустените предел растворимости достигает 2,14%. Твердость его равна 1700 — 2000 МПа, σ в — 50 — 80 МПа. Аустенит обладает и малой склонностью к хрупкому разрушению. Как в феррите, так и в аустените осуществляется металлический тип связи.

Цементит. При обычном охлаждении в металлической изложнице, т. е. при значительных переохлаждениях процесс затвердевания протекает по метастабильной диаграмме. Углерод в этом случае находится в связанном состоянии в виде карбида железа Fe3C, называемого цементитом. Цементит содержит 6,67%С, обладает сложной орторомбической решеткой. В решетке цементита реализуются связи как ковалентные так и металлического типа. Это подтверждается высокой твердостью и хрупкостью, характерными для промежуточных фаз. Температура плавления цементита точно не установлена и принимается равной 1600 ºС.

Все линии диаграммы можно разделить на следующие группы: линии ликвидус — начало затвердения при охлаждении или конец плавления при нагревании; линии солидус — конец затвердевания при охлаждении и начало плавления при нагревании; линии превращения в твердом состоянии.

Сплавы с содержанием углерода от 0,025 до 0,8% называются доэвтектоидными сталями.

Рассмотрим фазовые и структурные изменения доэвтектоидной стали на примере сплава с содержанием С 0,7%. В интервале температур t8−727ºC идет полиморфное превращение, А → Ф.

Состав аустенита меняется по линии GS, а феррита — по линии GP.

При 727ºC концентрация углерода в аустените равна 0,8% (точка S) и в феррите — 0,025% (точка Р).

Рис. 2. Кривая охлаждения для сплава с 0,7% С Ниже этой температуры происходит эвтектоидное превращение. В равновесии находятся три фазы: феррит состава точки Р, аустенит состава точки S, цементит. Так как число степеней свободы равно нулю, т. е. имеется нонвариантное равновесие, то процесс протекает при постоянном составе фаз. На кривых охлаждения или нагрева наблюдается температурная остановка. Таким образом, структура доэвтектоидной стали характеризуется избыточными кристаллами феррита и эвтектоидной смесью феррита с цементитом, называемой перлитом. Количественные соотношения феррита и перлита зависят от состава сплава. Чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем больше в структуре ее перлита и, наоборот, чем меньше углерода, тем больше феррита и меньше перлита. При дальнейшем охлаждении в результате изменения растворимости углерода в феррите (соответственно линии РQ) выделяется третичный цементит.