Решение задачи: Диаграмма состояния Fe-Fe3C

Хорошо, давайте разберем задачу 3.

Задача 3. Диаграмма состояния железо – карбид железа (Fe – Fe₃C)

Для решения этой задачи нам нужно: 1. Начертить диаграмму состояния железо – карбид железа. 2. Указать структурные составляющие во всех областях диаграммы. 3. Описать превращения. 4. Построить кривую охлаждения для сплава, содержащего 4,0% С, с применением правила фаз. 5. Определить структуру этого сплава при комнатной температуре. 6. Назвать этот сплав.

1. Диаграмма состояния железо – карбид железа (Fe – Fe₃C)

Диаграмма состояния железо – карбид железа (цементит) является одной из важнейших в материаловедении, так как она описывает структуру и превращения сталей и чугунов. Вот схематичное изображение диаграммы, которое вы можете перерисовать в тетрадь. (Здесь должен быть рисунок диаграммы состояния Fe-Fe₃C. Поскольку я не могу рисовать, я опишу её ключевые точки и области, а вам нужно будет найти и начертить её самостоятельно, например, из учебника или интернета. Важно, чтобы на диаграмме были указаны температуры и концентрации углерода для ключевых точек.) Основные точки и линии на диаграмме: * **Ось X:** Концентрация углерода (от 0 до 6,67% С). * **Ось Y:** Температура (от комнатной до примерно 1600 °C). * **Линия ликвидуса (ABC):** Выше этой линии сплав находится в полностью жидком состоянии. * **Линия солидуса (AHJECF):** Ниже этой линии сплав находится в полностью твердом состоянии. * **Точка А (1539 °C, 0% С):** Температура плавления чистого железа. * **Точка В (1499 °C, 0,51% С):** Начало кристаллизации аустенита из жидкого раствора. * **Точка С (1147 °C, 4,3% С):** Эвтектическая точка. При этой температуре из жидкого раствора кристаллизуется эвтектика (ледебурит). * **Точка D (1499 °C, 0,09% С):** Начало кристаллизации феррита из жидкого раствора. * **Точка Е (1147 °C, 2,14% С):** Максимальная растворимость углерода в аустените. * **Точка F (1147 °C, 6,67% С):** Температура плавления цементита (Fe₃C). * **Точка G (911 °C, 0% С):** Температура полиморфного превращения \(\gamma\)-Fe в \(\alpha\)-Fe. * **Точка S (727 °C, 0,76% С):** Эвтектоидная точка. При этой температуре аустенит превращается в эвтектоид (перлит). * **Точка P (727 °C, 0,02% С):** Максимальная растворимость углерода в \(\alpha\)-феррите. * **Точка Q (комнатная температура, 0,008% С):** Растворимость углерода в \(\alpha\)-феррите при комнатной температуре. * **Линия GS:** Линия начала выделения феррита из аустенита. * **Линия SE:** Линия начала выделения цементита из аустенита. * **Линия PSK:** Линия эвтектоидного превращения.

2. Структурные составляющие во всех областях диаграммы

* **L:** Жидкий раствор железа в углероде. * **\(\delta\)-феррит:** Высокотемпературный феррит (твердый раствор внедрения углерода в \(\delta\)-железе с ОЦК решеткой). * **\(\gamma\)-аустенит (А):** Твердый раствор внедрения углерода в \(\gamma\)-железе с ГЦК решеткой. * **\(\alpha\)-феррит (Ф):** Низкотемпературный феррит (твердый раствор внедрения углерода в \(\alpha\)-железе с ОЦК решеткой). * **Цементит (Ц) (Fe₃C):** Химическое соединение железа с углеродом. * **Перлит (П):** Эвтектоидная смесь феррита и цементита. * **Ледебурит (Л):** Эвтектическая смесь аустенита и цементита (при температурах выше 727 °C) или перлита и цементита (при температурах ниже 727 °C).

3. Описание превращений

* **Кристаллизация из жидкого состояния:** * **Доэвтектические стали (0-0,76% С):** Жидкость \(\rightarrow\) Жидкость + \(\delta\)-феррит \(\rightarrow\) Жидкость + аустенит \(\rightarrow\) Аустенит. * **Заэвтектоидные стали (0,76-2,14% С):** Жидкость \(\rightarrow\) Жидкость + аустенит \(\rightarrow\) Аустенит. * **Доэвтектические чугуны (2,14-4,3% С):** Жидкость \(\rightarrow\) Жидкость + аустенит \(\rightarrow\) Жидкость + аустенит + цементит (ледебурит). * **Эвтектический чугун (4,3% С):** Жидкость \(\rightarrow\) Ледебурит. * **Заэвтектические чугуны (4,3-6,67% С):** Жидкость \(\rightarrow\) Жидкость + цементит \(\rightarrow\) Жидкость + цементит + аустенит (ледебурит). * **Превращения в твердом состоянии:** * **Эвтектоидное превращение (при 727 °C):** Аустенит \(\rightarrow\) Перлит (смесь феррита и цементита). * **Выделение проэвтектоидного феррита:** Из аустенита при охлаждении доэвтектоидных сталей (0-0,76% С) выше 727 °C. * **Выделение проэвтектоидного цементита:** Из аустенита при охлаждении заэвтектоидных сталей (0,76-2,14% С) выше 727 °C. * **Превращение ледебурита:** При охлаждении ниже 727 °C аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит. Таким образом, ледебурит становится смесью перлита и цементита.

4. Построение кривой охлаждения для сплава, содержащего 4,0% С

Сплав с 4,0% С относится к доэвтектическим чугунам. (Здесь должна быть кривая охлаждения. Она представляет собой график зависимости температуры от времени. На ней будут горизонтальные участки, соответствующие фазовым превращениям при постоянной температуре, и наклонные участки, соответствующие охлаждению однофазных или двухфазных областей.) **Ход охлаждения сплава с 4,0% С:** 1. **Выше 1147 °C (до линии ликвидуса):** Сплав находится в полностью жидком состоянии. Температура плавно понижается. 2. **При пересечении линии ликвидуса (примерно 1200-1250 °C, точное значение зависит от диаграммы):** Начинается кристаллизация аустенита (\(\gamma\)-фазы) из жидкого раствора. Температура продолжает понижаться, но скорость охлаждения замедляется из-за выделения скрытой теплоты кристаллизации. 3. **В интервале между линией ликвидуса и линией солидуса (1147 °C):** Сплав состоит из жидкого раствора и кристаллов аустенита. По мере охлаждения количество аустенита увеличивается, а количество жидкости уменьшается. 4. **При 1147 °C (эвтектическая температура):** Происходит эвтектическое превращение. Оставшаяся жидкость (с 4,3% С) превращается в эвтектику – ледебурит (смесь аустенита и цементита). На кривой охлаждения это будет горизонтальный участок, так как превращение происходит при постоянной температуре. * **Применение правила фаз Гиббса:** \(Ф + С = К + 2\), где \(Ф\) – число фаз, \(С\) – число компонентов, \(К\) – число степеней свободы. * В точке эвтектики: \(С = 2\) (Fe, C). * При эвтектическом превращении сосуществуют 3 фазы: Жидкость, Аустенит, Цементит. * Тогда \(К = 2 + 2 - 3 = 1\). Это означает, что при постоянном давлении (атмосферном) температура является единственной степенью свободы, и она фиксирована. Поэтому превращение происходит при постоянной температуре. 5. **Ниже 1147 °C до 727 °C:** Сплав состоит из аустенита и ледебурита. По мере охлаждения из аустенита выделяется вторичный цементит (Fe₃C_II) по линии SE. 6. **При 727 °C (эвтектоидная температура):** Происходит эвтектоидное превращение. Аустенит, входящий в состав сплава (как первичный, так и в составе ледебурита), превращается в перлит (смесь феррита и цементита). На кривой охлаждения это будет еще один горизонтальный участок. * **Применение правила фаз Гиббса:** * В точке эвтектоида: \(С = 2\) (Fe, C). * При эвтектоидном превращении сосуществуют 3 фазы: Аустенит, Феррит, Цементит. * Тогда \(К = 2 + 2 - 3 = 1\). Температура фиксирована. 7. **Ниже 727 °C до комнатной температуры:** Сплав состоит из перлита и цементита (как первичного, так и вторичного, а также цементита, входящего в состав ледебурита). Температура плавно понижается.

5. Структура сплава при комнатной температуре

Сплав с 4,0% С при комнатной температуре будет состоять из: * **Перлита:** Продукт эвтектоидного распада аустенита. * **Вторичного цементита (Fe₃C_II):** Выделившегося из аустенита при охлаждении от 1147 °C до 727 °C. * **Ледебурита (превращенного):** Состоящего из перлита и цементита. Таким образом, общая структура будет представлять собой смесь **перлита** и **цементита** (в виде свободных выделений и в составе ледебурита).

6. Название сплава

Сплав железа с углеродом, содержащий 4,0% С, относится к **чугунам**. Поскольку содержание углерода (4,0%) находится между 2,14% (максимальная растворимость углерода в аустените) и 4,3% (эвтектическая концентрация), этот сплав является **доэвтектическим чугуном**.