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:
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
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.
Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.
Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.
