Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

Диаграмма железо-углерод – это графическое отображение структуры сплавов, состоящих только из железа и углерода, в зависимости от исходной средней концентрации углерода и текущей температуры сплава. Диаграмма железо-углерод позволяет понять процессы, происходящие при термообработке стали.

Диаграмма железо-углерод (железо-цементит). Упрощенная

Структуры на диаграмме железо-углерод

Напомним о 2 кристаллических формах железа:

  • α-железо. Имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку;
  • γ-железо. Имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку.

Кристаллическая решетка железа

Полиморфное превращение одной формы в другую при проведении термообработки сталей происходит при прохождении сплавами линии GSK.

Выделим 4 фазы в системе железо-углерод:

  1. Жидкая фаза. Концентрация углерода неограниченна;
  2. Феррит – это твёрдый раствор углерода в α-железе. Максимальная концентрация углерода – всего лишь 0,025% (точка P). При комнатной температуре – не выше 0,006%. Феррит мягок и пластичен.
  3. Аустенит – твёрдый раствор углерода в γ-железе. Максимальная концентрация углерода — 2,14 % (точка E). Аустенит имеет невысокую твёрдость, пластичен, не магнитится.
  4. Цементит — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа, Fe 3 C). Концентрация углерода, соответственно, постоянная – 6,67 % углерода. Цементит очень твёрд, хрупок, непластичен.

В зависимости от условий образования выделяют:

  • первичный цементит (образуется из жидкости);
  • вторичный цементит (выделяется из аустенита вокруг его зерен);
  • третичный цементит (выделяется из феррита по границам его зерен);
  • эвтектоидный цементит (является составной частью перлита);
  • эвтектический цементит (является составной частью ледебурита).

Необходимо так же выделить 2 структурные составляющие железоуглеродистых сплавов:

  1. Перлит (эвтектоид) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен феррита и цементита. Перлит образуется в результате перлитного превращения аустенита («свободного» или входящего в состав ледебурита) с концентрацией углерода 0,8% при прохождении ниже линии PSK:

Структура перлита. Ф — феррит, Ц — цементит

Железо при этом переходит из γ-формы в α-форму. Механические свойства сильно зависят от размера (дисперсности) частичек, из которых состоит данный перлит.

  1. Ледебурит (эвтектика) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен аустенита и цементита. Ледебурит образуется из жидкой фазы с концентрацией углерода 4,3% при прохождении ниже линии ECF:

Структура ледебурита. Ц — цементит, А — аустенит.

Повторяясь, напомним, что при прохождении сплавов ниже линии PSK (727°С) аустенит, входящий в состав ледебурита, претерпевает перлитное превращение, разделяясь на феррит и цементит. Ледебурит тверд и хрупок.

При комнатной температуре железоуглеродистые сплавы могут иметь различную структуру, а значит и свойства, хотя и состоят всегда всего из 2 фаз: феррита и цементита.

Некоторые элементы диаграммы железо-углерод

Выделим несколько границ на диаграмме железо-углерод:

  • линия ACD. Линия ликвидус. При охлаждении сплавов ниже нее начинается их кристаллизация;
  • линия AECF. Линия солидус. При охлаждении сплавов ниже нее весь сплав переходит в твердое состояние;
  • линия ECF. Иногда называется линией ледебуритного превращения. При охлаждении сплавов с содержанием углерода выше 2,14% ниже нее жидкая фаза превращается в ледебурит;
  • линия PSK. Линия перлитного превращения. При охлаждении сплавов ниже нее аустенит превращается в перлит.

Отметим несколько важных точек на диаграмме:

  • точка E. Точка максимального насыщения аустенита углеродом – 2,14%, при температуре 1147°С;
  • точка P. Точка максимального насыщения феррита углеродом – 0,025%, при температуре 727°С;
  • точка S. Точка «0,8% С-727°С» превращения аустенита с концентрацией углерода 0,8% в перлит (эвтектоид) той же средней концентрации;
  • точка C. Точка «2,14 % С-1147°С» превращения жидкости с концентрацией углерода 2,14% в ледебурит (эвтектику) той же средней концентрации.

Часто значения температур, при которых происходят структурные изменения конкретного сплава обозначают буквами A:

Поскольку температуры фазовых переходов при нагреве и охлаждении слегка отличаются, то часто вводят дополнительные буквенные обозначения:

Чтение диаграммы железо-углерод

Состав сплава с данным исходным содержанием углерода при заданной температуре мы можем увидеть, двигаясь по вертикальной линии, соответствующей содержанию углерода в сплаве.

Рассмотрим, например, область AEC. С ней соседствуют области аустенита AESG и жидкой фазы. Сплавы в ней состоят из жидкой фазы и образующегося твердого аустенита. Как определить концентрацию углерода в разных фазах для данного сплава? Рассмотрим для примера сплав с исходной концентрацией углерода 2,5% при температуре 1250°С.

Проведем из этой точки графика «2,5% C – 1250°С» горизонтальную прямую. Пересечение этой прямой с линией AE, граничащей с областью аустенита, покажет концентрацию углерода в аустените при данной температуре (

Пересечение этой же горизонтальной прямой с линией AС, граничащей с областью жидкой фазы, покажет концентрацию углерода в жидкой фазе при данной температуре (

Именно таким образом мы можем определить концентрацию углерода в фазах любого сплава при заданной температуре:

  • в жидкой фазе и аустените в области AEC;
  • в жидкой фазе в области CDF (концентрация углерода в цементите, конечно, постоянна – 6,67%);
  • в аустените в области SEFK;
  • в феррите в области QPKL;
  • в феррите и аустените в области GPS.

Как видим, при концентрации углерода выше 2,14% насыщение охлаждаемого расплава углеродом всегда стремится к 4,3% (по линиям AC и DC) по мере приближения к температуре 1147°С (уровень ECF). Далее происходит превращение жидкости в ледебурит (эвтектику). Естественно, с этим же средним содержанием углерода.

По мере приближения к температуре 727°С (уровень PSK) концентрация углерода в аустените («свободном» и/или входящем в состав ледебурита) стремится к 0,8% (по линиям GS и ES). Далее происходит превращение аустенита в перлит (эвтектоид). Перлит, конечно, имеет среднее содержанием углерода 0,8%.

Классификация железоуглеродистых сплавов

Классификация железоуглеродистых сплавов в зависимости от концентрации углерода в сплаве:

  1. C
  2. 0,025
    • 0,025
    • C=0,8. Эвтектоидная сталь. «Чистый» перлит;
    • 0,8
  1. 2,14
    • 2,14 Техническое железо выделяет то, что оно состоит исключительно из феррита. Который и определяет его свойства: мягкость, чрезвычайную пластичность и т.д.

      Чугуны же выделяет наличие ледебурита, придающего им хрупкость. Поэтому чугуны не могут подвергаться ковке. Зато обладают лучшими литейными свойствами (чем стали), обусловленными наличием легкоплавкого ледебурита.

      Термообработка сталей в ООО КВАДРО

      Наше предприятие уже почти четверть века производит на заказ термообработку металлов в Санкт-Петербурге.

      Мы производим термообработку сталей (в т.ч. нержавеющих, инструментальных и т.п.) по чертежам Заказчика или заданным режимам , а так же иных металлов и сплавов (алюминиевых и титановых, латуней и бронз, и т.д.).

      Основные виды термической обработки металлов, осуществляемые на нашем предприятии на заказ:

      Источник: kvadromash.ru

      Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

      Современную промышленность сложно представить без использования различного вида металлических сплавов, в том числе и стальных. Разработкой их составов занимаются ученые – металлурги в разных странах, но для прогнозирования свойств будущих сплавов, большая часть специалистов руководствуется диаграммой железо – углерод. Она дает четкое представление о том, как устроено большинство стальных сплавов и чугунов.

      Диаграмма содержит в себе некоторое количество линий и критичных точек, обозначающих состояние расплава при определенном нагреве.

      Классификация железоуглеродистых сплавов

      Различные комбинации этих элементов приводят к получению большого количества сплавов, которые можно разделить на три большие группы:

      К техническому железу относят материалы, в которых содержится менее 0,02% углерода. К сталям относят, материалы, в которых углерод находится в пределах от 0,02 до 2,14%. И в группу чугунов входят материалы, количество углерода в которых превышает 2,14%.

      Компоненты в системе железо углерод

      Аустенит

      Атомы размещается в гранецентрированной ячейке. Твердость аустенита имеет твердость 200 … 250 единиц по Бринеллю. Кроме того у него хорошая пластичность и он отличается парамагнитностью.

      Железо – это материал, относящийся к металлам. Его натуральный цвет – серебристо-серый. В чистом виде он очень пластичен. Его удельный вес составляет 7,86 г/куб. см. Температура плавления составляет 1539 °C. На практике чаще всего применяют техническое железо, в составе которого присутствуют следующие примеси – марганец, кремний и многие другие. Массовая доля примесей не превышает 0,1%.

      У железа есть такое свойство как полиформизм. То есть, при одном и том же химическом составе, это вещество может иметь разную структуру кристаллической решетки и соответственно разные свойства. Модификации железа называют соответственно – Б, Г, Д. Все эти модификации существуют при разных условиях. Например, тип Б, может существовать только при температуре 911 °С. Тип Г может существовать в диапазоне от 911 до 1392 °С. Тип Д существует в диапазоне от 1392 до 1539 °С.

      Каждый из типов обладает своей формой кристаллической решеткой, например, у типа Б решетка представляет собой куб, решетка типа Г имеет гранецентрированную кубическую форму. Решетка типа Д, имеет форму объемно центрированного куба.

      Еще одно свойство состоит в том, что при температуре ниже 768 железо ферримагнитно, а при ее повышении это свойство теряется.

      Точки полиморфной и магнитной трансформации называют критическими. На таблице они обозначены следующим образом – А2, А3, А4. Цифровые индексы показывают тип трансформации. Для более полного различия превращения железа из одного вида в другой к обозначению добавляют индексы с и r. Первый говорит о нагреве, второй об охлаждении.

      Полиморфные модификации железа

      При высоких параметрах пластичности, железо не обладает высокой твердостью, по шкале Бринелля она равна 80 единиц.

      Железо имеет возможность образовывать твердые растворы. Их можно разделить на две группы – раствор замещения и внедрения. Первые состоят их железа и других металлов, вторые из железа и углерода, водорода и азота.

      Другой компонент системы – углерод. Это – неметалл и он обладает тремя модификациями в виде алмаза, графита и угля. Он плавится при 3500 °С.

      Аллотропные модификации углерода

      В сплаве железа, этот элемент находится в виде твердого раствора, его называют цементит или в виде графита. В таком виде он присутствует в сером чугуне. Графит, не отличается ни пластичностью, ни прочностью.

      Доля углерода составляет 6,67%. Он обладает высокой твердостью – 800 НВ, но при этом у него отсутствует пластичность. Полиморфными свойствами не обладает.

      Он обладает следующим свойством – при формировании раствора замещения, углерод может быть заменен на атомы других веществ, например, на хром или никель. Такой раствор получил название легированного раствора.

      Он не обладает устойчивостью, при наличии некоторых условий он может разлагаться, при этом происходит трансформация углерода в графит. Это свойство нашло применение при образовании чугунов.

      Кстати, в жидком состоянии, железо может растворять в себе примеси, при этом образуя, однородная масса.

      Так называют твердый раствор, при котором происходит внедрение углерода в железо.

      Он растворяется с определенной переменностью, при нормальной (комнатной) температуре объем углерода лежит в пределах 0,006%, при 727 °С, то концентрация углерода составит 0,02%. По достижении 1392 °С образуется феррит.

      Содержание углерода составит 0,1%. Его атомы размещаются в дефектных узлах решетки.

      Феррит по своим параметрам близок к железу.

      Аустенит в сталях

      Наличие аустенита в стальных сплавах придает им определенные свойства. Детали и узлы, произведенные из подобных сталей, предназначаются для работы в средах, содержащие агрессивные компоненты, например, на предприятиях, перерабатывающих разные кислоты.

      Стали этого класса отличаются высоким уровнем легирования, во время кристаллизации формируется гранецентрированная решетка. Такая структура не подвержена изменению даже под воздействием глубокого холода.

      Стали этого типа можно разделить на два типа отличающиеся друг от друга составом. В первых, содержатся такие вещества как железо, никель, хром. При этом общее количество добавок не может превышать 55%. Ко второй группе относят никелевые и железоникелевые композиции. В никелевых композициях, его содержание превышает 55%. В железоникелевых составах соотношение никеля и железа составляет 1:5, а количество никеля начинается от 65%.

      Такое количество никеля обеспечивает повышенную пластичность, а хром, в свою очередь обеспечивает высокую коррозионную стойкость и жаропрочность. Применение других легирующих материалов позволяет выплавлять сплавы с уникальными эксплуатационными свойствами. Металлурги, составляя рецептуру сплавов, руководствуются будущим назначением сталей.

      Для получения легированный сталей применяют ферритизаторы, которые придают постоянство аустенитам, к таким веществам относят ниобий, кремний и некоторые другие. Кроме них применяют углерод, марганец – их называют аустенизаторами.

      Цементит: формы существования

      Так называют соединение углерода и железа. Это компонент чугуна и некоторых сталей. В него входит 6,67% углерода.

      В его кристалл входит несколько октаэдров, они расположены друг по отношению к другу с некоторым углом. Внутри каждого из них расположен атом углерода. В результате такого построения получается следующая картина – один атом вступает в связь с несколькими атомами железа, а железо в свою очередь связано с тремя атомами этого элемента.

      Кристаллическая решетка цементита

      У этого вещества имеются все свойства, которые присущи металлам – электропроводность, своеобразным блеском, высокая теплопроводность. То есть, смесь железа и углерода, ведет себя как металл. Этот материал обладает определенной хрупкостью. Большая часть его свойств определена сложным строением кристаллической решетки.

      Этот материал плавится при 1600 градусах Цельсия. Но на этот счет существует несколько мнений, одни исследователи считают, что его температура плавления лежит в диапазоне от 1200 до 1450, другие определяют, что верхний уровень равен 1300 °С.

      Первичный цементит

      Металлурги разделяют три типа этого вещества – первичный, вторичный, третичный.

      Первичный, получается из жидкости при закалке сплавов, которые содержат в себе 5,5% углерода. Первичный имеет форму в виде крупных пластин.

      Этот элемент получается из аустенита при охлаждении последнего. На диаграмме этот процесс этот процесс можно видеть по диаграмме Fe – C. Цементит представлен в виде сетки, размещенной по границам зерен.

      Этот тип, является производным от феррита. Он имеет форму иголок.

      В металлургии существуют и другие формы цементита, например, цементит Стеда и пр.

      Другие структурные составляющие в системе железо углерод

      Перлит – это механическая смесь, которая состоит из феррита и цементита. Ледебурит представляет собой переменный раствор.

      При температуре от 1130 и до 723 °С в его состав входят аустенит и цементит. При более низких температурах он состоит из аустенит заменяет феррит.

      Ледебурит в сталях

      Стали, в основании которых лежит ледебурит относят к легированным. В процессе кристаллизации происходит образование ледебурита. На диаграмме состояния железо углерод этот процесс указан в точке Е, которая расположена на линии Fe – Fe3C.

      Использование таких элементов, как хром, вольфрам и некоторых других, приводят к образованию таких сплавов как Р6М5. Эту сталь и ее аналоги применяют при изготовлении инструментов, например, металлорежущих.

      Узловые критические точки диаграммы состояния системы железо углерод

      На диаграмме железо углерод отмечено некоторое количество точек, называемых критичными. Каждая точка несет в себе информацию о температуре, долевом содержании углерода и описанием того, что именно происходит в этом месте.

      Всего существует 14 этих критичных точек.

      Например, А, говорит о том, что при температуре 1539 °С и при нулевом содержании углерода происходит плавление чистого железа. D говорит о том, что при температуре 1260 возможно плавление Fe3c.

      Точки расположены на пересечении линий, размещенных на диаграмме.

      Значение линий диаграммы состояния системы железо углерод

      Каждая линия, расположенная на диаграмме, так же несет в себе смысловую нагрузку. Например, линия PQ показывает выделение третичного цементита из феррита.

      Все расшифровки значений точек и линий всегда есть в приложениях к диаграмме состояния углерод железо.

      Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

      Источник: stankiexpert.ru

      Учебные материалы

      Компонентами данной системы являются железо и углерод. Железо — металл серебристо-белого цвета, атомный номер 26, атомный вес 55,85, атомный радиус 1,27 Å, температура плавления 1539 0 С, плотность 7,86 г/см 3 . Железо обладает невысокой твердостью и прочностью: НВ80, sв = 250 МПа, d = 50 %, j = 80 %; имеет три полиморфные модификации Fe a , Fe g и Fe d .

      Углерод — неметаллический элемент, атомный номер 6, атомный радиус 0,77 Å, атомный вес 12,01, температура плавления 3500 0 С, плотность 2,5 г/см 3 . Углерод полиморфен. Он может образовывать три кристаллографические формы: графит, алмаз, фуллерен.

      Углерод растворим в железе в жидком и твердом состоянии, с железом может образовывать химическое соединение — цементит.

      На диаграмме ”Fe-C” могут быть четыре фазы:

      1) жидкая фаза (Ж); 2) феррит (Ф); 3) аустенит (А); 4) цементит (Ц).

      Жидкая фаза — существует выше линии ликвидус. Железо хорошо растворяет углерод, образуя однородную жидкую фазу.

      Феррит — твердый раствор внедрения углерода в Fea.

      Углерод располагается в решетке a-Fe в центре грани куба. Максимальная растворимость достигает 0,02 % С при 727 0 С. При комнатной температуре максимально растворяется до 0,006 % С. Твердость и механические свойства феррита близки к свойствам технического железа.

      Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в Feg.

      Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. Предельная растворимость углерода в g-Fe 2,14 % при 1147 0 С и 0,8 % при 727 0 С.

      Цементит — химическое соединение железа с углеродом Fe3С.

      В цементите содержится 6,67 % С. Он имеет сложную орторомбическую решетку, в элементарной ячейке которой находятся 12 атомов железа и 4 атома углерода. Температура плавления цементита точно не определена и составляет около 1500 0 С. Цементит обладает очень высокой твердостью — порядка 800 НВ, хрупкий. До 217 0 С имеет слабые ферромагнитные свойства. По моменту образования в сплаве цементит условно подразделяется на первичный (ЦI) — кристаллизуется из жидкой фазы, вторичный (ЦII) — выделяется из аустенита, третичный (ЦIII) — выделяется из феррита.

      Цементит — соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

      В учебном пособии рассматривается упрощенная диаграмма ”Fe-С” без высокотемпературного участка перитектического превращения (рисунок 29).

      Линии на диаграмме:

      АСД — ликвидус; АЕСF — солидус; SЕ — линия предельной растворимости углерода в аустените; РQ — линия предельной растворимости углерода в феррите; GS- линия начала вторичной перекристаллизации (при охлаждении) — аустенита в феррит; РG — линия конца вторичной перекристаллизации; S — эвтектоидная точка; РSК — линия эвтектоидного превращения; С — эвтектическая точка; ЕСF — линия эвтектического превращения.

      Сплавы на диаграмме:

      • до 0,02 % С — техническое железо (феррит);
      • до 2,14 % С — углеродистые стали;
      • свыше 2,14 % С до 6,67 % С — углеродистые чугуны;
      • от 0,006 % С с до 0,8 % С — доэвтектоидные стали;
      • 0,8 % С — эвтектоидная сталь;
      • свыше 0,8 % С до 2,14 % С — заэвтектоидные стали;
      • от 2,14 % С до 4,3 % С — доэвтектические чугуны;
      • 4,3 % С — эвтектический чугун;
      • свыше 4,3 % С до 6,67 % С — заэвтектическими чугуны;
      • 6,67 % С — цементит.

      Эвтектоид представляет собой мелкодисперсную механическую смесь двух фаз — феррита и цементита вторичного (Ф+ЦI) и называется перлитом (П). Эвтектоид образуется при строго определенном количестве углерода в сплаве — 0,8 %. Эвтектоидное превращение (при охлаждении) идет при постоянной температуре (727 0 С):

      Рисунок 29 — Диаграмма состояния сплавов системы «железо-углерод» и кривые охлаждения

      Эвтектика представляет собой мелкозернистую механическую смесь двух фаз – аустенита и цементита первичного (А+ЦI) при 1147 0 С и называется ледебуритом (Л). Эвтектическое превращение идет при постоянной температуре (1147 0 С), когда жидкая фаза имеет строго определенное содержание углерода — 4,3 %:

      Фазовые превращения в сплавах при охлаждении прослеживаются по кривым охлаждения.

      Сплав I содержит 0,8 % С и является эвтектоидным. Кристаллизация аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. До точки S в сплаве не происходит никаких фазовых превращений: сплав просто охлаждается. При температуре 727 0 С (точка S) весь аустенит превращается в перлит. После эвтектоидного превращения феррит содержит 0,02 % С.

      По мере охлаждения содержание в нем углерода снижается до 0,006 %. Избыток углерода идет на образование цементита третичного (ЦIII). Структура стали при комнатной температуре перлит. Из-за небольшого количества в сплаве цементит третичный на диаграмме не указывается.

      Сплав II является заэвтектоидным. От точки 3 до точки 4 идет кристаллизация аустенита. В точке 4 кристаллизация завершается, и сплав охлаждается без фазовых превращений до точки 5, которая соответствует предельной растворимости углерода в аустените.

      По мере охлаждения содержание углерода снижается до 0,8 %. Избыток углерода идет на образование цементита вторичного (ЦII). При температуре 727 0 С идет эвтектоидное превращение (точка 6). В результате охлаждения сплава до комнатной температуры образуется цементит третичный (ЦIII). Структура стали — перлит и цементит вторичный (располагается по границам зерен перлита).

      Сплав III является эвтектическим чугуном и содержит 4,3 % С. При охлаждении сплава при температуре 1147 0 С (точка С) вся жидкая фаза превращается в ледебурит, в котором аустенит содержит 2,14 % С. По мере охлаждения содержание в нем углерода снижается до 0,8 %. Избыточный углерод образует цементит вторичный. В точке 7 идет эвтектоидное превращение, а ниже, по мере охлаждения, образуется цементит третичный (ЦIII). Изменение фазового состава эвтектического сплава происходит по схеме

      Структура эвтектического чугуна — ледебурит.

      Сплав IV является заэвтектическим сплавом. От точки 8 до точки 9 идет кристаллизация первичного цементита (ЦI). В точке 9 жидкая фаза достигает эфтектической концентрации (4,3 % С) и идет эвтектическое превращение, образуется ледебурит. Превращение ледебурита до комнатной температуры аналогично сплаву III. Структура сплава — иглы первичного цементита и ледебурит.

      Все углеродистые чугуны имеют температуру конца кристаллизации ниже, чем углеродистые стали, так как содержат в своем составе эвтектику (ледебурит). Этим определяются высокие литейные свойства чугунов (жидкотекучесть, небольшая усадка и малая склонность к поглощению газов) и отсутствие пластичности из-за повышенного содержания цементита.

      Микроструктура железоуглеродистых сплавов приведена на рисунке 31.

      Источник: dprm.ru

      Диаграмма состояния железо-углерод

      Термическая обработка заключается в изменении структуры металла и сплавов путём нагрева, выдержки и охлаждения с соблюдением установленных режимов.

      Диаграмма состояния «железо-углерод» («железо-цементит») характеризует особенности процесса кристаллизации, фазовый состав и микроструктуру жезезоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов. Она построена в координатах «температура – концентрация компонентов» (рис.27).

      Рис.27 Диаграмма состояния «железо-углерод»

      Железо – это металл, имеющий полиморфные превращения при температурах 911 о С и 1392 о С. Полиморфные модификации железа принято обозначать Feα (ОЦК-решётка) и Feγ (ГЦК-решётка). При температуре 911 о С Feα ↔ Feγ, а при температуре 1392 о С Feγ ↔ Feα. Кроме того, при температуре 768 о С (точка Кюри) происходит магнитное превращение железа. Температура плавления железа — 1539 о С.

      Углерод способен растворяться в Feα и Feγ, образуя твёрдые растворы — феррит и аустенит, а также образовывать c железом химическое соединение – цементит.

      Таким образом, в железоуглеродистых сплавах образуются следующие фазы: жидкий расплав (жидкость), феррит, аустенит, цементит.

      Жидкость принято обозначать Ж или L (от слова «ликвидус»).

      Феррит — это твёрдый раствор углерода в Feα, максимальная концентрация углерода в котором составляет 0,02% (у низкотемпературного Feα). Его принято обозначать Ф, α или Feα. На диаграмме состояния феррит существует в областях AHN и GPQ. При понижении температуры растворимость углерода в феррите понижается в соответствии с линией PQ.

      Аустенит – это твёрдый раствор углерода в Feγ, максимальная концентрация углерода в котором составляет 2,14%. Его принято обозначать А, γ или Feγ. На диаграмме состояния аустенит существует в области NJЕSG. При понижении температуры растворимость углерода в аустените понижается в соответствии с линией ES.

      Цементит – это химическое соединение железа и углерода Fe3С, имеющее постоянную концентрацию углерода — 6,67%. На диаграмме ему соответствует линия DL.

      ABCD — линия ликвидус, AHJECF – линия солидус.

      Координаты точек диаграммы приведены в таблице 2.

      Таблица 2. Точки диаграммы «железо-цементит»

      Обозначение точки Температура, о С Концентрация углерода, %
      A
      B 0.5
      H 0.1
      J 0.16
      N
      E 2.14
      C 4.3
      F 6.67
      D 6.67
      G
      P 0.02
      S 0.8
      K 6.67
      Q 0.006
      L 6.67

      У сплавов, содержащих более 2,14% углерода (чугунов), кристаллизация заканчивается эвтектической реакцией, при которой из жидкости, содержащей 4,3% углерода, одновременно кристаллизуются аустенит и цементит (ледебурит): Lc↔АЕ+Ц. Эвтектическая реакция происходит при температуре 1147 о С и на диаграмме ей соответствует линия ECF. Структура ледебурита представлена на рисунке 29 б.

      Так как железо склонно к полиморфным превращениям, то и его твёрдые растворы также претерпевают превращения, которые происходят в виде перитектической и эвтектоидной реакций.

      Перитектическая реакция происходит при температуре 1499 о С и ей на диаграмме соответствует линия HJB. Она заключается во взаимодействии жидкости, содержащей 0,5% углерода, и кристаллов феррита (0,1% С) с образованием аустенита (0,16% С): Lв+Фн↔Аj

      Эвтектоидная реакция происходит при температуре 727 о С и ей на диаграмме соответствует линия PSK. Она заключается в распаде аустенита, содержащего 0,8 % С на феррит (0,02 % С) и цементит (перлит): АS↔ФP+Ц. Структура перлита представлена на рисунке 29 в.

      В зависимости от содержания углерода, а следовательно и структуры в равновесном состоянии железоуглеродистые сплавы принять классифицировать на следующие группы:

      1. Техническое железо – сплавы железа и углерода, содержащие менее 0,02 % С и состоящие из феррита и третичного цементита (рис.28 а);

      2. Стали – сплавы железа и углерода с содержанием углерода 0,02-2,14 %;

      а) доэвтектоидные стали содержат более 0,02, но менее 0,8 % С и состоят из феррита и перлита (рис.28 б);

      б) эвтектоидная сталь содержит 0,8 % С и имеет структуру пластинчатого перлита (рис.28 в);

      в) заэвтектоидные стали содержат более 0,8-2,14 % С и состоят из перлита и вторичного цементита (рис.28 г);

      Рис.29 Микроструктуры технического железа и сталей.

      3. чугуны – сплавы железа и углерода с содержанием углерода 2,14-6,67 %;

      а) доэвтектические чугуны содержат 2,14-4,3 % С и имеют структуру перлит + ледебурит + цементит вторичный (рис.29 а);

      б) эвтектический чугун содержит 4,3 % С и имеет структуру ледебурита (рис.29 б);

      в) заэвтектические чугуны содержат более 4,3 до 6,67 % С и состоят из первичного цементита и ледебурита (рис.28 в).

      Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

      Лучшие изречения: Да какие ж вы математики, если запаролиться нормально не можете. 8406 — | 7319 — или читать все.

      188.64.173.93 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

      Отключите adBlock!
      и обновите страницу (F5)

      очень нужно

      Источник: studopedia.ru

      Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов

      Диаграмма состояния железо—углерод — это наглядное универсальное графическое изображение физико-химических процессов, происходящих в железоуглеродистых сплавах.

      Так как практическое применение находят железоуглеродистые сплавы с массовой долей углерода до 6,69 %, рассмотрим диаграммы состояния этих сплавов. В металловедении практическое применение нашли два вида диаграмм состояния железо-углерод: стабильная диаграмма — железо—графит (свободный углерод) и метастабильная диаграмма — железо—цементит (карбид железа).

      Железо — вещество аллотропное. Углерод также обладает аллотропией (полиморфизмом).

      В природе углерод, находясь в твердом агрегатном состоянии, может существовать в форме графита и в форме алмаза. При нормальных условиях графит является более устойчивой формой существования. При повышении температуры и давления графит приобретает структуру алмаза. Следовательно, алмаз — это метастабильная модификация графита. Графит имеет гексагональную атомно-кристаллическую решетку.

      В связи с тем что железоуглеродистый сплав состоит из двух химических веществ, обладающих аллотропией (полиморфизмом), это свойство сохраняется и в сплаве. Таким образом, благодаря полиморфизму железоуглеродистый сплав будет иметь следующие фазы или структуры:

      • • жидкая фаза (Ж);
      • • полужидкая фаза (Ж + Ф; Ж + А; Ж + Ц);
      • • структура феррита (Ф или Ре-сс);
      • • структура аустенита (А или Ре-у);
      • • структура цементита (Ц);
      • • структура ледебурита (Л);
      • • структура перлита (П).

      Следует отметить, что феррит, аустенит и ледебурит образуются при первичной кристаллизации, а перлит — при вторичной кристаллизации. Кроме того, цементит в сплаве может быть трех модификаций: первичный (выпадает из жидкого раствора); вторичный (выпадает из аустенита); третичный (выпадает из феррита).

      Рассмотрим диаграмму состояния железо—цементит (рис. 2.12). По диаграмме можно определить структуру сплавов как после медленного охлаждения, так и после нагрева.

      Критическая точка А соответствует температуре плавления железа (1539 °С). Критическая точка И — температуре плавления цементита (1600 °С). Точки Н и Р показывают массовую долю углерода в феррите: Н — при температуре 1499 °С (высокотемпературная концентрация), Р — при температуре 727 °С (низкотемпературная концентрация). Полиморфное превращение в железе происходит в точках Си N. Критическая точка Епоказывает наибольшую массовую долю растворимости углерода в структуре аустенита — 2,14 % (наибольшую концентрацию). Температуре расплавления сплава (1147 °С) с массовой долей углерода 4,3 % при нагревании соответствует точка С. При охлаждении в этой точке выделяется ледебурит — механическая смесь первичного цементита и аустенита (эвтектика). Критическая точка Е соответствует выделению 100 %-ного первичного цементита (температура 1147 °С).

      Соединяя характерные точки, соответствующие фазовым состояниям микроструктур, с критическими точками железа, получаем поверхности раздела (границы), которые раскрывают все физико-химические процессы, происходящие в железоуглеродистых сплавах при нагревании (охлаждении). Рассмотрим эти линии (границы) для сплава с массовой долей углерода 6,67 %.

      По достижении температур, соответствующих линии АВСВ (линия ликвидуса), стали и чугуны при нагревании расплавляются и при охлаждении начинают затвердевать. Выше этой линии будет жидкая фаза, ниже — полужидкая.

      При температурах, образующих линию АШЕСЕ (линия соли- дуса), стали и чугуны начинают плавиться при нагревании и затвердевают при охлаждении.

      Линия РЕК лежит на горизонтальной прямой, соответствующей температуре 727 °С, при которой происходит первое аллотропное превращение (первичная кристаллизация). Второе аллотропное превращение (вторичная кристаллизация) происходит по линии (ТЗД.

      Линия КЕИ — линия 100 %-ного химического соединения углерода с железом (цементит). Линия ?)РС — линия низкоуглеродистого твердого раствора феррита и третичного цементита.

      Рис. 2.12. Диаграмма состояния сплава железо—углерод

      Геометрическая фигура ЛВГНМ показывает область перитек- тического превращения сплава.

      Диаграмма состояния железо—графит (Ре—С) представляет собой диаграмму, аналогичную диаграмме железо—цементит. Для более наглядного изучения диаграммы состояния железо- графит критические точки накладывают на диаграмму железо- цементит, что дает возможность лучшее разобраться в физикохимических процессах обоих сплавах. На рис. 2.12 диаграмма состояния сплава Ре—С показана пунктирной линией.

      В сплаве железо—графит несколько изменяются критические температуры аллотропных превращений. Например, эвтектоид- ное превращение происходит при температуре 738 °С и массовой доле углерода 0,7 % (?’). В этом случае эвтектоид называется графитовым состоящим из феррита и графита. Штриховыми линиями показаны границы раздела состояния системы. При температуре 1153 °С (линия Е’С’Е’) структура начинает расплавляться с образованием жидкого раствора и первичного графита. Линия З’Е’ — граница выделения вторичного графита из аустенита. Линия С’Г)’ — граница полного расплавления первичного графита. При температуре 1153 °С образуется эвтектика с массовой долей углерода 4,26 %, имеющая структуру аустенита и графита. Такая структура называется графитовой.

      Железоуглеродистые сплавы кристаллизуются при условии медленного охлаждения и наличия в сплаве графитизирующих компонентов (см. диаграмму состояния). Быстрота охлаждения железоуглеродистых сплавов способствует образованию сплава железо — цементит.

      Зная конкретную массовую долю углерода в углеродистых сталях и чугунах, по диаграмме Бе—Ре3С на горизонтальной оси находим соответствующую точку. Из этой точки восстанавливаем перпендикуляры, а пересечения перпендикуляров с любыми плоскостями раздела (линиями) дадут нам критические точки для конкретных марок сталей и чугунов.

      Рассмотрим пример определения температуры перекристаллизации и плавления стали марки 40 с массовой долей углерода 0,4 %.

      На диаграмме железо—цементит на оси ординат (концентрация углерода) из точки, соответствующей 0,4 % углерода, восстанавливаем перпендикуляр 1—1. Перпендикуляр пересекает кривые диаграммы железо—цементит, образуя критические точки.

      Сталь марки 40 с массовой долей углерода 0,4 % при нормальных условиях и до температуры 727 °С (рис. 2.13) будет иметь структуру: 50 % феррита + 50 % перлита. В процессе нагревания при температуре 727 °С (точка 1) структура перлита будет медленно распадаться, образуя структуру аустенита. В связи с тем что в процессе распада структур происходит интенсивное поглощение энергии (теплоты), на кривой будет горизонтальный участок 7—7′. После полного распада перлита в структуре стали до температуры 760 °С никаких изменений не происходит, сталь медленно нагревается (на диаграмме наклонная кривая 1—2), структура стали феррит + аустенит. При пересечении перпендикуляра 7—7 (см. рис. 2.12) с линией GS (точка 2) начинается преобразование структуры феррита в структуру аустенита. На диаграмме это горизонтальный участок 2—2′ (см. рис. 2.13), так как пока происходит распад феррита в аустенит, температура не повышается (происходит поглощение энергии). При дальнейшем нагревании от точки 2′ до точки 3 (от 760 °С до 1480 °С) структура стали будет постоянной — аустенит. В точке 3 (1480 °С) происходит расплавление части аустенита. Пока часть аустенита расплавляется, температура стали остается постоянной, и на кривой будет горизонтальный участок 3—3′. Между точками 3′ и 4 структура стали будет аустенит + жидкая фаза.

      Рис. 2.13. Кривые нагрева (а) и охлаждения (6) стали марки 40:

      Ф — феррит; А — аустенит; П — перлит;

      Ж — жидкость; 1—5, Г—5′ — критические точки, соответствующие аллотропным превращениям

      В точке 4 при температуре 1500 °С (на рис. 2.12 пересечение с горизонтальной прямой 1В) происходит перестройка структур оставшегося аустенита в феррит. На кривой будет горизонтальный участок 44 (см. рис. 2.13). До точки 5(1520 °С) структура стали будет феррит + жидкая фаза.

      В точке 5 оставшийся феррит начинает медленно расплавляться, температура стали остается постоянной (1520 °С), на кривой будет снова горизонтальный участок 55‘. Выше линии 55 сталь имеет жидкую фазу. При охлаждении процесс происходит в обратном порядке (см. рис. 2.13, б).

      Аналогично структуры и критические точки (температуры) определяются по диаграмме Ре—Ре3С для любой марки стали и чугуна. Кроме того, по диаграмме определяются температуры горячей обработки давлением и температуры различной термической и химико-термической обработки.

      Источник: studref.com

      Читать еще:  Чем вырезать круг в дереве
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector