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: σв = 180… 290 МПа; σ0,2 = 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.