Решение задачи: Диаграмма состояния Fe-Fe3C, сплав с 4% C

Хорошо, давайте разберем эту задачу по пунктам.

3. Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 4,0% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется?

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

Для начала, давайте представим диаграмму состояния железо-цементит. Это одна из важнейших диаграмм в материаловедении, так как она описывает поведение сталей и чугунов. (Здесь должен быть рисунок диаграммы состояния Fe-Fe₃C. Поскольку я не могу рисовать, я опишу её основные элементы, а вам нужно будет найти или нарисовать её самостоятельно, используя учебники или интернет-ресурсы. Важно, чтобы на диаграмме были указаны температуры, концентрации углерода и области фаз.) Основные точки и линии на диаграмме:

• Линия ликвидуса (ABC): Выше этой линии сплав находится в полностью жидком состоянии.
• Линия солидуса (AHJECF): Ниже этой линии сплав находится в полностью твердом состоянии.
• Эвтектическая точка (C): При концентрации 4,3% С и температуре 1147°C жидкий сплав превращается в эвтектику – ледебурит (смесь аустенита и цементита).
• Эвтектоидная точка (S): При концентрации 0,8% С и температуре 727°C аустенит превращается в эвтектоид – перлит (смесь феррита и цементита).
• Линии A₁ (PSK), A₃ (GS), A_cm (SE): Линии фазовых превращений в твердом состоянии.

2. Структурные составляющие во всех областях диаграммы

Давайте перечислим основные фазы и структурные составляющие, которые встречаются на диаграмме:

• Жидкий раствор (Ж): Сплав в расплавленном состоянии.
• Феррит (α-Fe): Твердый раствор углерода в α-железе (объемно-центрированная кубическая решетка). Обладает низкой твердостью и высокой пластичностью. Максимальная растворимость углерода в феррите при 727°C составляет 0,02%. При комнатной температуре – 0,008%.
• Аустенит (γ-Fe): Твердый раствор углерода в γ-железе (гранецентрированная кубическая решетка). Обладает высокой пластичностью и хорошей обрабатываемостью давлением. Максимальная растворимость углерода в аустените при 1147°C составляет 2,14%.
• Цементит (Fe₃C): Химическое соединение железа с углеродом (карбид железа). Очень твердый и хрупкий. Содержит 6,67% углерода.
• Перлит (П): Эвтектоидная смесь феррита и цементита, образующаяся при распаде аустенита при 727°C. Имеет пластинчатую структуру. Содержит 0,8% углерода.
• Ледебурит (Л): Эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава при 1147°C. При охлаждении ниже 727°C аустенит в ледебурите превращается в перлит, и ледебурит становится смесью перлита и цементита. Содержит 4,3% углерода.

Теперь укажем структурные составляющие в различных областях диаграммы:

• Выше линии ликвидуса (ABC): Жидкий раствор (Ж).
• Между линиями ликвидуса (ABC) и солидуса (AHJECF):
  • Область A-H-B: Жидкий раствор + Аустенит (Ж + γ).
  • Область B-C-J: Жидкий раствор + Цементит (Ж + Fe₃C).
• Ниже линии солидуса (AHJECF):
  • Область G-S-P: Феррит + Перлит (α + П).
  • Область S-E-K: Перлит + Цементит (П + Fe₃C).
  • Область H-S-G: Аустенит + Феррит (γ + α).
  • Область S-E-J: Аустенит + Цементит (γ + Fe₃C).
  • Область C-E-J: Ледебурит (Л) (при температурах выше 727°C это γ + Fe₃C, ниже 727°C это П + Fe₃C).
  • Область J-E-F: Цементит (Fe₃C).
  • Область H-J-C: Аустенит (γ).

3. Описание превращений для сплава, содержащего 4,0% С

Сплав с 4,0% углерода относится к доэвтектическим чугунам. Давайте проследим его охлаждение от жидкого состояния.

1. Выше 1147°C (в жидком состоянии): Сплав находится в полностью жидком состоянии.
2. При пересечении линии ликвидуса (около 1200°C, в зависимости от точной диаграммы): Начинается кристаллизация первичного аустенита (γ). Жидкий раствор обогащается углеродом.
3. В интервале температур между линией ликвидуса и 1147°C: Продолжается кристаллизация первичного аустенита. Количество аустенита увеличивается, а жидкий раствор становится все более насыщенным углеродом, приближаясь к эвтектическому составу (4,3% С).
4. При 1147°C (эвтектическая температура): Оставшийся жидкий раствор (с 4,3% С) превращается в эвтектику – ледебурит. Ледебурит состоит из аустенита и цементита. Таким образом, структура сплава будет состоять из первичного аустенита и ледебурита.
5. В интервале температур от 1147°C до 727°C:
   • Из первичного аустенита выделяется вторичный цементит (Fe₃C_II) по границам зерен, так как растворимость углерода в аустените уменьшается с понижением температуры.
   • Аустенит, входящий в состав ледебурита, также обедняется углеродом, и из него выделяется вторичный цементит.
6. При 727°C (эвтектоидная температура): Весь оставшийся аустенит (как первичный, так и входящий в состав ледебурита), имеющий эвтектоидный состав (0,8% С), превращается в перлит (смесь феррита и цементита).
7. Ниже 727°C (до комнатной температуры):
   • Феррит, входящий в состав перлита, обедняется углеродом до 0,008%. Из него выделяется третичный цементит (Fe₃C_III), но его количество очень мало и обычно им пренебрегают.
   • Структура сплава при комнатной температуре будет состоять из перлита, вторичного цементита и ледебурита (в котором аустенит превратился в перлит).

4. Построение кривой охлаждения для сплава, содержащего 4,0% С (с применением правила фаз)

Кривая охлаждения будет иметь несколько характерных участков:

1. Участок 1 (от высокой температуры до линии ликвидуса): Плавное понижение температуры. Сплав находится в жидком состоянии.
   Число фаз \(Ф = 1\) (жидкий раствор).
   По правилу фаз Гиббса: \(С = К - Ф + 1\), где \(К\) - число компонентов (2: Fe, C), \(Ф\) - число фаз, \(1\) - внешние параметры (давление, которое считаем постоянным).
   \(С = 2 - 1 + 1 = 2\). Система двухвариантна, температура и концентрация могут меняться независимо.
2. Участок 2 (от линии ликвидуса до 1147°C): Наклон кривой охлаждения уменьшается (излом), но температура продолжает падать. Идет кристаллизация первичного аустенита.
   Число фаз \(Ф = 2\) (жидкий раствор + аустенит).
   \(С = 2 - 2 + 1 = 1\). Система одновариантна, при изменении температуры концентрации фаз меняются по линиям диаграммы.
3. Участок 3 (при 1147°C): Горизонтальная площадка (температура не меняется). Происходит эвтектическое превращение: оставшийся жидкий раствор превращается в ледебурит (аустенит + цементит).
   Число фаз \(Ф = 3\) (жидкий раствор + аустенит + цементит).
   \(С = 2 - 3 + 1 = 0\). Система нонвариантна, температура остается постоянной до завершения превращения.
4. Участок 4 (от 1147°C до 727°C): Наклон кривой охлаждения снова уменьшается (излом), но температура продолжает падать. Идет выделение вторичного цементита из аустенита.
   Число фаз \(Ф = 2\) (аустенит + цементит).
   \(С = 2 - 2 + 1 = 1\). Система одновариантна.
5. Участок 5 (при 727°C): Горизонтальная площадка. Происходит эвтектоидное превращение: аустенит превращается в перлит (феррит + цементит).
   Число фаз \(Ф = 3\) (аустенит + феррит + цементит).
   \(С = 2 - 3 + 1 = 0\). Система нонвариантна.
6. Участок 6 (ниже 727°C до комнатной температуры): Плавное понижение температуры. Структура состоит из перлита и цементита.
   Число фаз \(Ф = 2\) (феррит + цементит).
   \(С = 2 - 2 + 1 = 1\). Система одновариантна.

5. Структура сплава при комнатной температуре и его название

При комнатной температуре сплав, содержащий 4,0% углерода, будет иметь следующую структуру:
Перлит + Вторичный цементит + Ледебурит (в котором аустенит превратился в перлит). Такой сплав называется доэвтектический чугун.

Итог для переписывания в тетрадь:

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

1. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C

(Здесь необходимо вставить рисунок диаграммы состояния Fe-Fe₃C с обозначением всех фаз, структурных составляющих, температур и концентраций. Можно найти в учебнике или интернете.)

Основные фазы и структурные составляющие:

• Ж – Жидкий раствор.
• α-Fe (феррит) – Твердый раствор углерода в α-железе (ОЦК решетка). Мягкий, пластичный. Макс. 0,02% С при 727°C.
• γ-Fe (аустенит) – Твердый раствор углерода в γ-железе (ГЦК решетка). Пластичный. Макс. 2,14% С при 1147°C.
• Fe₃C (цементит) – Карбид железа. Твердый, хрупкий. Содержит 6,67% С.
• П (перлит) – Эвтектоидная смесь феррита и цементита (0,8% С), образуется из аустенита при 727°C.
• Л (ледебурит) – Эвтектическая смесь аустенита и цементита (4,3% С), образуется из жидкого раствора при 1147°C.

Структурные составляющие в областях диаграммы:

• Выше линии ликвидуса: Ж.
• Между ликвидусом и солидусом: Ж + γ (слева), Ж + Fe₃C (справа).
• Ниже солидуса:
  • До 727°C: γ (аустенит), γ + α (аустенит + феррит), γ + Fe₃C (аустенит + цементит), Л (ледебурит = γ + Fe₃C).
  • Ниже 727°C: α + П (феррит + перлит), П + Fe₃C (перлит + цементит), Л (ледебурит = П + Fe₃C).

2. Описание превращений и кривая охлаждения для сплава с 4,0% С

Сплав с 4,0% С – это доэвтектический чугун.

Кривая охлаждения:

(Здесь необходимо нарисовать кривую охлаждения. Она будет иметь 2 горизонтальные площадки (при 1147°C и 727°C) и 4 наклонных участка.)

Превращения:

1. Выше ~1200°C: Сплав в жидком состоянии (Ж). Температура плавно понижается.
   По правилу фаз: \(Ф = 1\), \(С = 2 - 1 + 1 = 2\) (двухвариантная система).
2. От ~1200°C до 1147°C: Начинается кристаллизация первичного аустенита (γ_I). Жидкий раствор обогащается углеродом. Температура понижается с меньшей скоростью.
   По правилу фаз: \(Ф = 2\) (Ж + γ), \(С = 2 - 2 + 1 = 1\) (одновариантная система).
3. При 1147°C: Горизонтальная площадка. Оставшийся жидкий раствор (4,3% С) превращается в эвтектику – ледебурит (Л = γ + Fe₃C).
   По правилу фаз: \(Ф = 3\) (Ж + γ + Fe₃C), \(С = 2 - 3 + 1 = 0\) (нонвариантная система).
4. От 1147°C до 727°C: Температура понижается. Из аустенита (первичного и входящего в ледебурит) выделяется вторичный цементит (Fe₃C_II).
   По правилу фаз: \(Ф = 2\) (γ + Fe₃C), \(С = 2 - 2 + 1 = 1\) (одновариантная система).
5. При 727°C: Горизонтальная площадка. Весь оставшийся аустенит (0,8% С) превращается в эвтектоид – перлит (П = α + Fe₃C).
   По правилу фаз: \(Ф = 3\) (γ + α + Fe₃C), \(С = 2 - 3 + 1 = 0\) (нонвариантная система).
6. Ниже 727°C до комнатной температуры: Температура плавно понижается. Структура стабилизируется.
   По правилу фаз: \(Ф = 2\) (α + Fe₃C), \(С