Построение кривой охлаждения сплава заданной концентрации с использованием диаграммы

Построение кривой охлаждения сплава заданной концентрации с использованием диаграммы

Правило фаз (закон фаз, закон Гиббса) - соотношение термодинамики, согласно которому для любой равновесной системы сумма числа фаз f и вариантности (числа степеней свободы) с равна числу компонентов k, увеличенному на число параметров n, определяющих равновесное состояние системы:

При этом параметры состояния (температура Т, давление р, напряжённость электрического и магнитного полей и др.) должны быть одинаковыми во всех фазах. Если состояние системы может изменяться лишь под действием температуры и давления, причём размеры фаз таковы, что можно пренебречь величиной их поверхностной энергии, то правило фаз выражается формулой

Для конденсированных систем (например, сплавов металлов), где р либо постоянно, либо изменяется так незначительно, что не влияет на состояние равновесия, правило фаз принимает вид:

Именно в таком виде правило фаз используется для построения кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов (Fe - Fe₃C) и анализа превращений.

Формирование фаз или структур в сплавах можно изучить, рассматривая по диаграмме процессы, происходящие в них при охлаждении или нагреве.

В качестве примера проследим за формированием структур сплава с содержанием углерода 1,3 % при медленном охлаждении от 1600 °C (рисунок 1).

Сплав до температуры 1480 °C (точка 1) находится в жидком состоянии. Кристаллизация его начинается при 1480 °C с выделением из жидкого раствора кристаллов аустенита. По мере охлаждения сплава концентрация компонентов в аустените изменяется согласно линии JE от точки 1' к точке n, а в жидкости - согласно линии ВС от точки 1 к точке k, что можно записать следующим образом:

Составы и количество фаз в этой области диаграммы (точка m) можно определить по правилу отрезков (коноды).

Рисунок 1 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 1,3 % при охлаждении

Химический состав жидкой фазы сплава I при температуре, равной температуре точки m, определяется проекцией на ось концентраций точки k, а химический состав аустенита - проекцией на ось концентраций точки n. Количество аустенита А находится по формуле

 %,

а количество жидкой фазы Ж - по формуле

 %,

где kn - длина коноды;

Кристаллизация сплава заканчивается в точке 2 (1340 °C). В интервале температур 1340…980 °C (точки 2, 3) сплав охлаждается, не претерпевая никаких изменений. При охлаждении сплава ниже 980 °C (точка 3) аустенит с концентрацией углерода 1,3 % становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и выделяется в виде цементита вторичного. Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 980 до 727 °С изменяется согласно линии ES от точки 3 к точке S:

При температуре 727 °C (точка 4) в сплаве происходит эвтектоидное превращение. Аустенит (0,8 % С) распадается на ферритно-цементитную смесь - перлит:

С понижением температуры сплава ниже 727 °C растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного:

Однако выделяющийся цементит третичный в структуре стали металлографически не различается, так как сливается с цементитом эвтектоида. В структуре сплава с концентрацией углерода 1,3 % при комнатной температуре наблюдаются зерна перлита, окаймленные тонкой сеткой цементита вторичного.

На рисунках 2 - 8 приведены примеры построения кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов с различным содержанием углерода.

Рисунок 2 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 0,005 % при охлаждении

Рисунок 3 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 0,01 % при охлаждении

Рисунок 4 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 0,6 % при охлаждении

Рисунок 5 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 0,8 % при охлаждении

Рисунок 6 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 3,0 % при охлаждении

Рисунок 7 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 4,3 % при охлаждении

Рисунок 8 - Схема для изучения превращений, происходящих в сплаве I с содержанием углерода 5,5 % при охлаждении

Углеродистые стали

термодинамика фаза железоуглеродистый сплав

Основой для определения структурных составляющих углеродистых сталей в равновесном состоянии (после полного отжига) является диаграмма состояния системы «железо - углерод».

Микроструктура стали в равновесном состоянии зависит от содержания в ней углерода (рисунки 9 и 10).

а                                                    б

в                                                     г

а - сталь 20; б - сталь 40; в - сталь У8; г - сталь У12.

Рисунок 9 - Микроструктура углеродистых сталей

а) 0,15 % C                   б) 0,65 % C                   в) 0,8 % C

г) 0,85 % C                    д) 0,91 % C                   е) 1,18 % C

Рисунок 10 - Фотографии микроструктур сталей с различным содержанием углерода и различным видом термообработки

По структуре углерода стали делятся на три группы: доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,80 % углерода. Структура их состоит из феррита в виде светлых зерен и перлита (эвтектоидной механической смеси феррита и цементита) в виде мелких темных зерен. С повышением содержания углерода количество перлита пропорционально увеличивается, а феррита - уменьшается. Пользуясь правилом рычага, можно по соотношению площадей, занимаемых в микроструктуре перлитом и ферритом, приближенно определить содержание углерода в стали.

Пример: если перлит занимает примерно 25 % площади шлифа, то содержание углерода будет равно:

 %.

Доэвтектоидные сплавы с содержанием углерода до 0,02 % называются техническим железом. Его структура состоит из феррита (при С = 0,008 %) или из феррита и третичного цементита (в сплавах с С = 0,008…0,020 %). Механические свойства технического железа зависят от его чистоты и величины зерна и находятся в пределах: σ_в = 180… 290 МПа; σ_0,2 = 90… 170 МПа; δ = 30…50 %; KCU = 180… 250 Дж/см²; НВ = 45…80. Малоуглеродистые доэвтектоидные стали (ГОСТ 1050-78) применяются для цементируемых изделий машиностроения; среднеуглеродистые стали (сталь 30, 40, 50) в термически обработанном виде - для различных машиностроительных деталей.

Заэвтектоидные стали содержат 0,80…2,14 % С. Структура - перлит и вторичный цементит, расположенный в виде тонкой светлой сетки (или цепочек светлых зерен) по границам зерен перлита.

Эвтектоидные и заэвтектоидные углеродистые стали применяют при изготовлении различных инструментов, предназначенных для механической обработки металлов, пластмасс, дерева и других материалов, измерительных и слесарных инструментов и др.

Литература

1.   Тушинский, Л.И. Методы исследования материалов/ Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, Н. Синдеев. - М.: Мир, 2004. - 380 с.

2.       Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю.М. Лахтин. - М.: Металлургия, 1993. - 448 с.

.        Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман и др. - М.: Высшая школа, 2001. - 622 с.

.        Евстратова, И.И. Материаловедение/ И.И. Евстратова и др. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. - 268 с.

.        Маркова, Н.Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н.Н. Маркова. - Орел: ОрелГТУ, 2006. - 96 с.

.        Ильина, Л.В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л.В. Ильина, Л.Н. Курдюмова. - Орел: ОрелГТУ, 2007.