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;

km, mn - отрезки, противолежащие определяемой фазе.

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