КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по Металловедению 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: ЖС ⇆ АЕ + ЦF . 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 ЦII, 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 727о (линия PSK), аустенит состава точки S (0,81% С) претерпевает перлитное превращение: АS ⇄ ФР + ЦК. 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 727о ледебурит состоит из перлита и цементита, в то время как выше 727о С ледебурит состоял из аустенита и цементита. Количество фаз при комнатной температуре (tкомн): 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 1147о (ЕCF – линия эвтектического превращения); жидкость превратится в ледебурит: ЖС ⇆ АЕ + ЦF . т.о. структура сплава сразу после кристаллизации (ниже
ECF): Аустенит + Ледебурит (Л = ЖС = 39,4%; А = 60,6%). При охлаждении от температуры точки 4 до точки 5 состав аустенита изменяется по линии ES с выделением ЦII, следовательно структурный состав сплава в интервале 4–5 будет А+ЦII+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: АS ⇄ ФР + ЦК. Количество фаз до превращения: . Ниже точки 5 количество перлита равно количеству аустенита перед превращением, т.е. АS = П = 62,6%. Количество цементита: . Структурный состав сплава: П+ЦII +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 (ЦI). Точка в (ее проекция) – определяет состав жидкой (Ж) фазы (состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус). Точка г(ее проекция) – определяет состав твердой фазы – цементитаI.
При температуре t3: , . При температуре t4: жидкая фаза (Ж) имеет состав т. С, а цементит первичный (ЦI)имеет состав т. F. , . Ниже точки t4 происходит эвтектическое превращение: ЖС ⇆ АЕ + ЦF . Количество ледебурита после превращения равно количеству аустенита до превращения, т.е. Л = Жс = 42,4%; количество цементита первичного
ЦI = 57,6%. Структура сплава после кристаллизации: Л + ЦI; 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 ЦII. Рисунок 1 Рисунок 2. При 727о происходит эвтектоидное превращение:
АS ⇄ ФР + ЦК. Структура стали после эвтектоидного превращения (ниже 727оС): ЦI + Л (ледебурит состоит из перлита и цементита); фазовый состав: Ф + Ц. После превращения количество перлита равно количеству аустенита до превращения: AS = 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): ЖС АЕ + Fe3С ледебурит (эвтектика) Сплавы, находящиеся в интервале точек, называются: EC ─ доэвтектические чугуны; С ─ эвтектический чугун; CF ─ заэвтектические чугуны; PSK─линия эвтектоидного равновесии (727є С): АS Фр + 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 ЦI ,ЦII ,ЦIII ─ эти фазы не отличимы по химическому составу (т.е. имеют формулу Fe3С), только: ЦI ─ выделяется из жидкости в заэвтектическом белом чугуне; ЦII ─ выделяется из аустенита в заэвтектоидных сталях или чугунах; ЦIII ─ 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.