Решение задачи: Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe3C)

Вот решение задачи, оформленное так, чтобы было удобно переписать в тетрадь школьнику. Задание: 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 0,3% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется? ---

Решение:

1. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe₃C)

(Здесь необходимо перерисовать диаграмму состояния железо-цементит, представленную на рисунке 1а).

Основные области диаграммы и их структурные составляющие:

* **Жидкая фаза (Ж):** Сплав находится в полностью расплавленном состоянии. * **Ж + Аустенит (\(\gamma\)):** Область, где сосуществуют жидкая фаза и кристаллы аустенита. * **Аустенит (\(\gamma\)):** Твердый раствор углерода в \(\gamma\)-железе (ГЦК решетка). * **Ж + Цементит (Fe₃C):** Область, где сосуществуют жидкая фаза и кристаллы первичного цементита. * **Аустенит (\(\gamma\)) + Цементит (Fe₃C):** Область, где сосуществуют кристаллы аустенита и первичного цементита. * **Ледебурит (Л):** Эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1147 °C. * **Аустенит (\(\gamma\)) + Ледебурит (Л):** Область, где сосуществуют кристаллы аустенита и ледебурита. * **Феррит (\(\alpha\)):** Твердый раствор углерода в \(\alpha\)-железе (ОЦК решетка). * **Феррит (\(\alpha\)) + Аустенит (\(\gamma\)):** Область, где сосуществуют кристаллы феррита и аустенита. * **Феррит (\(\alpha\)) + Перлит (П):** Область, где сосуществуют кристаллы феррита и перлита. * **Перлит (П):** Эвтектоидная смесь феррита и цементита, образующаяся при 727 °C. * **Перлит (П) + Цементит (Fe₃C):** Область, где сосуществуют перлит и вторичный цементит. * **Ледебурит (Л) + Цементит (Fe₃C):** Область, где сосуществуют ледебурит и цементит (после распада аустенита в ледебурите на перлит).

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

Сплав с 0,3% углерода относится к доэвтектоидным сталям. * **Выше линии ликвидуса (около 1500 °C):** Сплав находится в полностью жидком состоянии (Ж). * **При пересечении линии ликвидуса (около 1490 °C):** Начинается кристаллизация аустенита (\(\gamma\)) из жидкой фазы. \[Ж \rightarrow Ж + \gamma\] * **При пересечении линии солидуса (около 1450 °C):** Заканчивается кристаллизация, и весь сплав состоит из аустенита (\(\gamma\)). \[Ж + \gamma \rightarrow \gamma\] * **При дальнейшем охлаждении до линии GOS (около 850 °C):** Из аустенита (\(\gamma\)) начинает выделяться феррит (\(\alpha\)). \[\gamma \rightarrow \gamma + \alpha\] * **При температуре 727 °C (линия PSK):** Оставшийся аустенит (\(\gamma\)), который к этому моменту имеет эвтектоидный состав (0,8% С), претерпевает эвтектоидное превращение, образуя перлит (П). \[\gamma_{0.8\%C} \rightarrow \alpha + Fe_3C \text{ (Перлит)}\] Таким образом, при 727 °C происходит превращение: \[\gamma + \alpha \rightarrow \alpha + \text{Перлит}\] * **Ниже 727 °C (комнатная температура):** Структура сплава состоит из феррита (\(\alpha\)) и перлита (П).

3. Построение кривой охлаждения для сплава, содержащего 0,3% С

(Здесь необходимо перерисовать кривую охлаждения, представленную на рисунке 1б, для сплава с 0,3% углерода).

Этапы кривой охлаждения:

* **Участок 1-2 (Ж):** Охлаждение жидкого сплава. Температура плавно понижается. * **Участок 2-3 (Ж + \(\gamma\)):** Начало кристаллизации аустенита. Наклон кривой изменяется из-за выделения скрытой теплоты кристаллизации. * **Участок 3-4 (\(\gamma\)):** Охлаждение полностью аустенитного сплава. Температура плавно понижается. * **Участок 4-5 (\(\gamma\) + \(\alpha\)):** Начало выделения феррита из аустенита. Наклон кривой изменяется. * **Участок 5-5' (\(\alpha\) + Перлит):** Эвтектоидное превращение при 727 °C. Температура остается постоянной, пока весь аустенит не превратится в перлит. Это горизонтальный участок на кривой охлаждения. * **Участок 5'-6 (\(\alpha\) + Перлит):** Охлаждение сплава, состоящего из феррита и перлита, до комнатной температуры. Температура плавно понижается.

4. Структура сплава при комнатной температуре и его название

При комнатной температуре структура сплава, содержащего 0,3% углерода, состоит из **феррита** и **перлита**. Такой сплав называется **доэвтектоидной сталью**.