Твердофазные превращения в белых чугунах и диаграммы состояния сплавов

Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Институт повышения квалификации

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по Металловедению

Выполнил:

ст. гр. ПМГ-А-08з

Мовлян Д.Т.

Алчевск 2009

Кристаллизация и твердофазные превращения в белых чугунах. Структура и свойства белых чугунов

1. Характеристика белых чугунов

Высокоуглеродистые сплавы - белые чугуны, можно разделить на следующие группы:

доэвтеитические - 2,14 - 4,32 % С;

эвтеитические - 4,32 % С;

заэвтеитические - 4,32 - 6,67 % С.

Линии:

АВСD - ликвидус.

AHJECFD - солидус.

Белый чугун - название получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Имеет в структуре большое количество цементита (I, II, III-ный), степень графитизации равна нулю. Вследствие присутствия цементита белый чугун обладает высокой твердостью, хрупок и практически не поддается обработке резанием, поэтому имеет ограниченное применение (в основном для передела в сталь).

2. Кристаллизация белых чугунов

Сплав I (эвтектический чугун).

В точке 1 сплав находится в равновесном состоянии.

В точке 2 размер фазово-концентрационных флуктуаций увеличивается, сплав насыщается по отношению к аустениту и цементиту.

Линия BC - по ней происходит насыщение жидкости по отношению к аустениту (г-Fe); линия CD - по ней жидкая фаза насыщается по отношению к цементиту (Fe₃C).

При температуре несколько ниже точки 2, насыщенная жидкая фаза претерпевает эвтектическое превращение:

Ж_С ? А_Е + Ц_F .

Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. Жидкий сплав имеет состав перед самым эвтектическим превращением, соответствующий проекции точки С на ось концентраций.

После эвтектического превращения аустенит имеет состав, соответствующий проекции точки Е на ось концентраций. Цементит имеет состав, соответствующий проекции точки F на ось концентраций.

При охлаждении от точки 2 до точки 3, изменение состава аустенита происходит по линии ES (ограничивающей содержание углерода в аустените от 2,14 до 0,8 % С), в связи с чем, происходит выделение Ц_II, но он сливается с цементитом эвтектическим, поэтому в эвтектике раздельно не записывается.

Состав цементита изменяется по линии FK.

Количество фаз после превращения:

Структура 100% - ледебурит.

Перед температурой точки 3 (перед эвтектоидным превращением) число фаз определится по следующей зависимости:

Отрезок SK принимаем за коноду (100 %).

Как видим при охлаждении в интервале точек 2 - 3 изменился количественный состав фаз из-за перехода выделившегося по линии ES цементита вторичного в ледебуритный цементит.

При температуре 727^о (линия PSK), аустенит состава точки S (0,81% С) претерпевает перлитное превращение:

А_S ? Ф_Р + Ц_К.

т.е. количество перлита после превращения равно количеству аустенита до преращения, т.е. 40,1% (перлит это уже структурная составляющая: П(Ф+Ц)). Количество цементита остается неизменным - Ц = 59,9%.

Таким образом, ниже 727^о ледебурит состоит из перлита и цементита, в то время как выше 727^о С ледебурит состоял из аустенита и цементита. Количество фаз при комнатной температуре (t_комн):

Строим кривую охлаждения сплава.

Сплав II (белый доэвтектический чугун; содержание углерода - 3%).

Точка 1, аналогично сплаву - I.

Точка 2 - размер и количество фазных и концентрационных флуктуаций возрастает по отношению к аустениту.

Точка 3 - размер фазово-концентрационных флуктуаций достигает критического значения, жидкий сплав пересыщается в отношении аустенита (г-Fe) и начинается кристаллизация.

Точка а - определяет состав жидкого сплава.

При температуре t₃:

При охлаждении до точки 4, состав Ж (жидкой фазы) меняется по линии бС, а состав А (аустенита) по линии аЕ.

При температуре t₄ (перед эвтектическим превращением) конода ЕС:

-

это первичный аустенит, который выделяется из Ж (жидкой фазы).

.

Жидкость состава т. С одновременно насыщена по отношению к аустениту (г-Fe) и цементиту.

При переохлаждении ниже 1147^о (ЕCF - линия эвтектического превращения); жидкость превратится в ледебурит:

Ж_С ? А_Е + Ц_F .

т.о. структура сплава сразу после кристаллизации (ниже ECF):

Аустенит + Ледебурит (Л = Ж_С = 39,4%; А = 60,6%).

При охлаждении от температуры точки 4 до точки 5 состав аустенита изменяется по линии ES с выделением Ц_II, следовательно структурный состав сплава в интервале 4-5 будет А+Ц_II+Л, а фазовый состав: А+Ц.

Цементит изменяет состав по линии FK. При температуре точки 5 (линия PSK) аустенит, независимо от того, в какой структурной форме он существует (т.е. является он первичным или входит в эвтектику), претерпевает перлитное (эвтектоидное) превращение:

А_S ? Ф_Р + Ц_К.

Количество фаз до превращения:

.

Ниже точки 5 количество перлита равно количеству аустенита перед превращением, т.е. А_S = П = 62,6%.

Количество цементита:

.

Структурный состав сплава: П+Ц_II +Л. Фазовый состав: Ф+Ц.

Определим фазовый состав сплава после охлаждения (конода - QL (100%)):

.

.

Строим кривую охлаждения.

Сплав III (белый доэвтектический чугун, содержание углерода - 5,5% С).

Точки 1,2 - изменения протекают аналогично сплаву II.

При температуре t₃ - жидкий сплав пересыщается углеродом и происходит кристаллизация с выделением кристаллов цементита первичного (Ц_I).

Точка в (ее проекция) - определяет состав жидкой (Ж) фазы (состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус).

Точка г(ее проекция) - определяет состав твердой фазы - цементита_I.

При температуре t₃:

,

.

При температуре t₄: жидкая фаза (Ж) имеет состав т. С, а цементит первичный (Ц_I)имеет состав т. F.

,

.

Ниже точки t₄ происходит эвтектическое превращение:

Ж_С ? А_Е + Ц_F .

Количество ледебурита после превращения равно количеству аустенита до превращения, т.е. Л = Ж_с = 42,4%; количество цементита первичного Ц_I = 57,6%.

Структура сплава после кристаллизации: Л + Ц_I; фазовый состав: А + Ц.

Количество фаз после превращения конода EF (100%):

,

.

Перед точкой 5 (перед эвтектоидным превращением):

,

.

Количество цементита увеличилось за счет выделения из аустенита ледебуритного Ц_II.

Рисунок 1

Рисунок 2.

При 727^о происходит эвтектоидное превращение:

А_S ? Ф_Р + Ц_К.

Структура стали после эвтектоидного превращения (ниже 727^оС): Ц_I + Л (ледебурит состоит из перлита и цементита); фазовый состав: Ф + Ц.

После превращения количество перлита равно количеству аустенита до превращения: A_S = П = 20%.

Количество фаз при комнатной температуре:

,

.

Строим кривую охлаждения.

Диаграмма состояния "железо-цементит" и ее характеристика

1. Виды диаграмм состояния железо-углеродистых сплавов

Данная диаграмма показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % С). Диаграмма состояния существует в двух состояниях (модификациях):

1.Метастабильная (Fe - Fe₃C, Fe - Ц).

2.Стабильная (Fe - C, Fe - Г).

2. Диаграмма состояния "железо - карбид железа"

Диаграмму метастабильного равновесия системы железо-цементит с неограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии, ограниченной растворимостью в твердом состоянии, с перитектическим превращением, эвтектическим превращением и с эвтектоидным превращением.

Линия АВСD - линия ликвидус. Выше сплавы находятся в жидком состоянии (L - ликвидус). Линия AHJECFD - линия солидус.

Характерным точкам диаграммы состояния Fe - Fe₃С соответствуют:

т. А - точка плавления чистого Fe - 1539є С.

т. N - точка полиморфного превращения - 1392єС:

-Fe-Fe;

т. G - точка полиморфного превращения -911єС:

- Fe - Fe;

т. D - температура плавления цементита 1250є С (в учебниках можно видеть различные температуры, т.к. они постоянно уточняются).

Линии диаграммы:

АВ - показывает температуру начала кристаллизации-феррита из жидкого сплава (Ж);

ВС - соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава;

СD - соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Fe₃С) из жидкого сплава;

АН - ниже этой линии существует только -феррит;

HJB - линия перитектического (нонвариантного С = 0) равновесия - 1499єС; по достижении этой температуры происходит реакция:

NH - начало полиморфного превращения:

- Ф - Fe (аустенита), или (- Ф А)

NJ - конец полиморфного превращения:

- Ф - Fe(аустенита), (или - Ф А)

Между линиями NH и NJ существует двухфазная структура: феррит (- Ф) и аустенит(- Fe)

JE- ниже соответствующих этой линии температур процесс кристаллизации заканчивается, после затвердевания структура сплавов однофазная - аустенит (- Fe ).

ECF -линия эвтектического равновесия (1147 єС):

Ж_С А_Е + Fe₃С

ледебурит (эвтектика)

Сплавы, находящиеся в интервале точек, называются:

EC - доэвтектические чугуны;

С - эвтектический чугун;

CF - заэвтектические чугуны;

PSK-линия эвтектоидного равновесии (727є С):

А_S Ф_р + Fe₃C

перлит (эвтектоид)

GS - начало полиморфного превращения:

- Fe (А) - Fe (Ф).

PG - конец полиморфного превращения:

- Fe (А) - Fe (Ф).

ES - линия предельной растворимости углерода (или цементита) в аустените, соответствует температурам начала внедрения из аустенита вторичного цементита.

PQ - линия ограниченной растворимости углерода в феррите, соответствует температурам начала внедрения третичного цементита.

Сплавы, находящиеся в интервале точек, называются:

PS - доэвтектоидные стали;

S - эвтектоидная сталь;

SE - заэвтектоидные стали.

На диаграмме имеется Ц_I ,Ц_II ,Ц_III - эти фазы не отличимы по химическому составу (т.е. имеют формулу Fe₃С), только:

Ц_I - выделяется из жидкости в заэвтектическом белом чугуне;

Ц_II - выделяется из аустенита в заэвтектоидных сталях или чугунах;

Ц_III - выделяется во всех сталях и чугунах из феррита.

Сплавы от 0 до 0,025 % С называют технически чистым железом (в нем больше примесей, чем у химически чистого Fe). Сталями называют сплавы железа с углеродом от 0,025 до 2,14 % С. Чугуны это сплавы, содержащие от 2,14 до 6,67 % углерода.

Литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.

3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.