Програма підготовки до виконання роботи

1. Вивчити методику проведення аналізу діаграм стану подвійних сплавів за цим посібником та поданою нижче навчальною літературою.

2. Записати, в якій послідовності потрібно проводити за допомогою діаграми стану аналіз процесів, що відбуваються при охолодженні цих сплавів.

3. Перерахувати чинники, що визначають форму кривих охолодження (горизонтальну ділянку або згин), якщо її будують за допомогою діаграми стану.

Список літературних джерел

1. Атаманюк В.В. Технологія конструкційних матеріалів: Навч. посібник для вищих навчальних закладів. – К.: Кондор. – 2006. – С. 143 – 177.

2. Металловедение и технология металлов /Под ред. Ю.П. Солнцева. – М.: Металлургия, 1988.  С. 106 – 117.

3. Мохорт А.В., Чумак М.Г. Термічна обробка металів: Навч. посібник. – К.: Либідь, 2002. – С. 17– 25.

4. Технология металлов и материаловедение /Под ред. Л.Ф. Усовой. – М.: Металлургия, 1987.  С. 106 – 177.

5. Хільчевський В.В., Кондратюк С.Є., Степаненко В.О., Лопатько К.Г. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів: Навч. посібник. – К.: Либідь, 2002. – С. 74 – 88.

Завдання й методичні вказівки

Визначені викладачем діаграми стану ретельно зобразити на чистому аркуші паперу (відповідно до методичних указівок поданих у лабораторній роботі № 8) і проаналізувати відповідно до методичних вказівок, зазначених вище.

Контрольні запитання

1. Схарактеризувати методику проведення аналізу діаграм стану подвійних сплавів.

2. Пояснити в чому суть евтектичного і перитектичного перетворень?

3. Пояснити яке практичне значення мають діаграми стану?

4. Проаналізувати діаграми стану третього і четвертого роду.

Лабораторна робота № 10. Вивчення діаграми стану залізо-цементит

Мета: Навчитися аналізувати діаграму стану залізо-цементит

Короткі теоретичні відомості

Уявлення про будову залізовуглецевих сплавів, їх структурні складові, можливі перетворення в них, критичні точки і низку іншої інформації дає діаграма стану залізо-вуглець. Звичайно, діаграму стану залізо-вуглець зображають тільки до концентрації 6,67% С. Справа в тому, що залізовуглецеві сплави з концентрацією вуглецю більшою за 5% не мають практичного застосування, оскільки при більшій концентрації вуглець у залізі виділяється у вигляді великих пластин графіту. В результаті цього сплав стає крихким і руйнується при незначних навантаженнях. Концентрація 6,67% С взята граничною у зв’язку з тим, що така кількість вуглецю міститься в хімічній сполуці  цементиті (Fe₃C). Як відомо, хімічна сполука може розглядатися в сплавах як самостійний компонент, тому цю ділянку діаграми стану залізо-вуглець часто називають діаграмою стану залізо-цементит (FeFe₃C) (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Діаграма стану залізо-цементит

Формування фаз або структур у сплавах можна вивчити, як уже зазначалося вище, розглядаючи за діаграмою процеси, що відбуваються в них при охолодженні або нагріванні. При цьому потрібно чітко розуміти нижчевикладене.

1. Фізичний зміст перетворень, що відповідають лініям на діаграмі.

Лінія АВСD є лінією ліквідус, і по цій лінії змінюється склад рідкої фази при кристалізації сплавів. Лінія AHJEСF – лінія солідус, відповідно до якої змінюється склад фази, що кристалізується.

Лінія HN і JN показує температури початку і кінця кристалізації фериту (Ф) в аустеніті (А). Відповідно до цих ліній змінюється склад фериту і аустеніту при зміні температури сплаву. Лінія GS характеризує температуру початку, а лінія GР – кінця перетворення аустеніту в ферит. Відповідно до цих ліній змінюється склад аустеніту і фериту при зміні температури сплаву. Лінії JE і ES характеризують максимальну розчинність вуглецю в аустеніті залежно від температури.

2. Найважливішою умовою для успішного аналізу процесів фазових перетворень у сплавах при нагріванні або охолодженні є уміння користуватися правилами для визначення складу і кількості фаз.

3. Потрібно ясно розуміти різницю між фазою і структурою сплаву.

Для прикладу простежимо за формуванням структури сталей із вмістом вуглецю 0,3 і 1,5% при їх повільному охолодженні від температури 1600°С. Критичні точки, що відповідають температурам перетворень, зображені на фігуративних лініях (рис. 10.2, а) сплавів І (С = 0,3%) і ІІ (С = 1,5%).

Рис. 10.2. Схема для вивчення перетворень, що відбуваються в сплавах

І і ІІ при їх охолодженні: а – діаграма стану; б – криві охолодження сплавів

Доевтектоїдна сталь з концентрацією вуглецю 0,3% вище 1525°С знаходиться в рідкому стані. Кристалізація її починається при 1525 °С (точка 1) з виділенням із рідкого розчину кристалів фериту. В процесі кристалізації сплаву склад фериту змінюється згідно з лінією АН від точки 1` до Н, а рідини – згідно з лінією АВ від точки 1 до В. Цю стадію кристалізації можна записати так:

Р Ф (1` - Н) + Р (1 – В).

Виділення фериту іде при зниженні температури сплаву ( С = К – Ф + 1 = 2 + 1 = 1; фази: ферит і рідкий розчин).

При температурі 1499 °С (точка 2) ферит (0,1%С) вступає у взаємодію з рідким розчином (0,51%С); внаслідок цієї реакції утворюються кристали аустеніту (0,16%С). Таке перетворення називають перитектичним. Останнє протікає при постійній температурі (С = 2 - 3 +1 = 0; фази: ферит, аустеніт і рідкий розчин) до зникнення фериту:

Р_в + Ф_н А_J + Р_в (надлишок).

Після закінчення перитектичного перетворення з рідини, що залишилася, виділяються кристали аустеніту. Кристалізація рідини протікає в інтервалі температур 1499 – 1480°С (точки 2, 3), оскільки система перебуває в моноваріантній рівновазі (С = 2 – 2 + 1; фази: аустеніт і рідкий розчин), унаслідок чого змінюється склад рідкої і твердої фаз: Р_{(В – 3`)} А .

Сплав завершує кристалізуватися при 1480°С (точка 3) і при подальшому охолодженні до 870 °С перетворень не зазнає.

При температурі 870°С (точка 4) унаслідок поліморфного перетворення Fe_  Fe_ із аустеніту починає утворюватися ферит. Зниження температури сприяє виділенню фериту (С = 2 – 2 + 1 = 1; фази: аустеніт і ферит) і зміні складу фаз: фериту згідно з лінією GР (точки 4` - Р), а аустеніту згідно з лінією GS (точки 4-S). А <sub>4-S</sub>  Ф <sub>4` - Р</sub>.

На лінії РSK (точка 5) відбувається евтектоїдне перетворення. Аустеніт (0,8%С) розпадається на ферито-цементитну суміш  перліт:

А_S Ф_р + Ц _к.

Відповідно до правила фаз евтектоїд формується при постійній температурі (С = 2 – 3 + 1 = 0; фази аустеніт, ферит і цементит).

Із зниженням температури сплаву нижче 727 °С розчинність вуглецю в фериті зменшується (лінія РQ). У зв’язку з цим надлишковий вуглець із фериту виділяється у вигляді цементиту третинного:

Ф_р Ф (Р - Q) + Ц^ІІІ.

Виділення цементиту третинного є моноваріантним процесом (С=2–1+1=1; фази: ферит і цементит). Однак цементит третинний, що виділився, в структурі сталі металографічно не розрізняється, оскільки зливається з цементитом евтектоїду.

Склад і кількість фаз у сталі (наприклад, при 650°С) можна визначити за допомогою правила відрізків. Для визначення складу фаз (Ф і Ц) потрібно через точку “а” на фігуративній лінії сплаву І провести горизонтальну лінію (коноду) до перетину з лініями діаграми РQ і DL (точки в і с). Проекція точки в на вісь концентрації покаже процентний вміст компонентів у фериті, проекція ж точки с – в цементиті. Кількість фаз визначимо із співвідношення відрізків коноди:

;

При кімнатній температурі структура сталі з 0,3% С складається із зерен фериту і перліту.

До температури 1450°С (точка 6) сталь з 1,5%С находиться в рідкому стані. При 1450°С починається процес її кристалізації. В інтервалі температур 1450-1250°С (точки 6, 7) у сплаві співіснують дві фази: рідкий розчин і аустеніт. У міру охолодження сплаву концентрація компонентів в аустеніті змінюється відповідно до лінії ІЕ від точки 6` до точки 7, а в рідині – згідно з лінією ВС від точки 6 до 7`, що можна записати так:

Р А_{(6`- 7)</sub> + Р <sub>(6 - 7`)}.

Склади і кількість фаз у цій частині діаграми (точка m) можна визначити за правилом відрізків. Склад рідкої фази знаходиться проекцією точки n (конода rmn), а склад твердої фази – проекцією точки r. Кількість фаз знаходиться із співвідношення відрізків:

.

Процес первинної кристалізації сплаву іде при зниженні температури, що узгоджується з правилом фаз (С = К – Ф + 1 = 2 – 2 + 1 = 1; фази: рідкий розчин і аустеніт). Кристалізація сплаву закінчується в точці 7 (1250°С). В інтервалі температур 1250 - 950°С (точки 7, 8) сплав охолоджується, не зазнаючи ніяких перетворень. При охолодженні сплаву нижче 950°С (точка 8) аустеніт з концентрацією вуглецю 1,5% стає пересиченим. Надлишковий вуглець із зерен аустеніту дифундує до їх границь, і тут виділяється у вигляді цементиту вторинного. Процес формування цементиту вторинного (С = 2 – 2 + 1 = 1; фази: аустеніт і цементит) протікає з пониженням температури сплаву. Концентрація вуглецю в аустеніті при охолодженні сплаву від 950 до 727°С змінюється згідно лінії ES від точки 8 до точки S:

А_(8-S) Ц^ІІ.

При температурі 727°С (точка 9) в сплаві відбувається евтектоїдне перетворення, внаслідок якого утворюється перліт. Нижче від температури 727°С в сплаві протікають перетворення, аналогічні раніше розглянутим (сплав І).

Перетворення в сплавах у процесі нагріву відбувається в оберненій послідовності при деякому їх перегріві вище температур рівноважного стану. Вплив перегріву при вивченні перетворень, що відбуваються в сплавах, звичайно не враховують, так як фазові зміни в сплавах відповідають лініям діаграми.

Таким чином, у структурі сталі з концентрацією вуглецю 1,5% при кімнатній температурі спостерігаються зерна перліту, навколо яких є тонка сітка цементиту вторинного. Цементит третинний за допомогою металографічного мікроскопа не виявляється, оскільки зливається з однойменною фазою евтектоїду і цементитом вторинним.

Криві охолодження розглянутих сплавів наведені на рис. 10.2,б.

Якщо у сплаві наявні дві фази або дві структурні складові, то застосування правила відрізків для визначення їх складів і відносної кількості труднощів не викликає. Дещо складніше знайти відносну вагу фаз і структурних складових, якщо в сплаві їх більше двох. Розглянемо, яким чином за допомогою правила відрізків можна розрахувати вагову кількість структурних складових в заевтектоїдній сталі з 1,5% вуглецю при 600°С (див. рис. 10.2). У цьому випадку кількість структурних складових потрібно визначати послідовно в міру їх утворення при охолодженні сплаву, кожен раз застосовуючи правило відрізків для двох співіснуючих фаз або структурних складових.

Вагова доля цементиту вторинного, що виділився в інтервалі температури 950-727°С (точки 8, 9) визначається із відношення відрізків S - 9 і S – K (727°С):

Кількість перліту, що утворюється при евтектоїдному перетворенні (727°С), становить 100-11,9 = 88,1% від ваги всього сплаву. Концентрація вуглецю у фериті при 727°С складає 0,02%, а в цементиті  6,67%.

Співвідношення фаз в евтектоїді:

Перерахуємо одержані значення відносно ваги всього сплаву:

У процесі повільного охолодження сталі від температури 727°С розчинність вуглецю у фериті зменшується, унаслідок чого надлишковий вуглець виділяється у вигляді цементиту третинного. Кількість останнього можна визначити із співвідношення ваги Ц^ІІІ до ваги суміші фериту і цементиту:

Підрахуємо вагову долю Ц^ІІІ по відношенню до ваги всього сплаву, який виділився із фериту евтектоїда:

Унаслідок виділення Ц^ІІІ питома вага фериту евтектоїду зменшиться на 0,1% і буде рівна 77,7 – 0,1  77,6%.

Таким чином, в евтектоїдній сталі (1,5%С) при 600 °С структурні складові відносно до ваги всього сплаву розподіляються так: перліт (Ф + Ц)  77,6 + 10,3  87,9%, цементит Ц^ІІ – 11,9% і Ц^ІІІ – 0,1%.