No Image

Диаграмма состояния железо карбид железа

СОДЕРЖАНИЕ
3 356 просмотров
15 ноября 2019

§ 25. Диаграмма состояния системы железо – углерод

Подавляющая масса железа применяется в виде сплавов с углеродом – сталей и чугунов. Поэтому необходимо подробно рассмотреть систему железо – углерод. На рис. 46 представлена часть этой диаграммы, прилегающая к железу и ограниченная содержанием 6,67% С. При больших содержаниях углерода сплавы практического значения не имеют, и обычной плавкой их получить невозможно. Между железом и углеродом образуется промежуточная фаза в виде соединения – карбида железа Fe3C, содержащего теоретически 6,67%С и плавящегося около 1600°С . Поэтому представленную часть диаграммы состояния системы железо – углерод можно рассматривать как полную диаграмму состояния системы железо – карбид железа.


Рис. 46. Диаграмма состояния системы железо – углерод

На диаграмме, изображенной на рис. 46, кроме сплошных линий, нанесены пунктирные, которые относятся к системе железо – графит. Соединение Fе3С – неустойчиво, и при длительных отжигах или очень медленном охлаждении распадается на железо и графит. Поэтому система железо – карбид железа должна рассматриваться как неустойчивая, метастабильная, а система железо – графит – как устойчивая. Диаграмму той или другой системы следует использовать, исходя из реальной обстановки, в которой были получены сплавы.

Все точки на диаграмме состояния железо – углерод имеют общепринятые интернациональные обозначения, поэтому их необходимо запомнить. На ординате чистого железа имеются точки A, N, G, которые отражают соответственно плавление – кристаллизацию и превращения А4 и А3. Магнитное превращение А2 изображено точкой М. На диаграмме состояния видно, что выше точки плавления железа и карбида железа в этой системе образуется однородный жидкий раствор, обозначенный буквой Ж. Это значит, что углерод хорошо растворяется в жидком железе до 6,67%. Из-за полиморфизма железа в системе образуются три твердых раствора углерода в δ-, γ- и α-модификациях железа. Эти растворы обозначаются теми же греческими буквами. Следует обратить внимание на то, что растворы на основе α- и δ- железа с объемноцентрированной кубической решеткой резко отличаются по предельному содержанию углерода в сравнении с раствором на основе γ-железа с гранецентрированной кубической решеткой. В δ-железе наибольшая растворимость углерода составляет 0,1% при 1490°С (точка Н), в α-железе при 727°С растворяется всего 0,02% (точка Р), а при 400°С – менее 0,002%. В γ-железе растворимость углерода достигает 2,14% при 1147°С (точка Е).

Столь резкая разница в способности растворять углерод объясняется тем, что в гранецентрированной кубической решетке, несмотря на более плотную упаковку атомов, имеются большие по размерам промежутки в центре кубической ячейки. Именно в этих местах и размещаются атомы углерода. При этом они несколько деформируют кристаллическую решетку и вызывают увеличение линейных размеров элементарной ячейки. При определенной концентрации углерода его атомы вызывают настолько большие искажения в решетке, что она делается неустойчивой, и появляется другая фаза – карбид. В железе с объемноцентрированной кубической решеткой атомы углерода размещаются в центрах граней элементарной ячейки, и так как в этих местах промежутки между атомами железа значительно меньше, то предельные искажения решетки наступают при существенно меньших содержаниях углерода.

Кристаллизация сплавов железа, содержащих до 0,5%С (точка В), начинается с выпадения кристаллов δ-железа. Сплавы с 0 – 0,1% С целиком кристаллизуются в δ-твердый раствор. Затем при понижении температуры фигуративные точки, изображающие эти сплавы, пересекают линию NH и попадают в двухфазную область δ+γ, где идет постепенное превращение фазы δ в фазу γ. Поскольку система двухкомпонентна (железо + углерод) и двухфазна (δ+γ), число степеней свободы С = К-Ф+1 = 2-2+1 = 1, то превращение происходит в интервале температур, определяемом линиями NH и NJ. Ниже температур, ограниченных линией HJ, все сплавы с 0 – 0,1% С представляют однородный твердый раствор на основе γ-железа. В сплавах, содержащих от 0,1 до 0,16% С, происходит перитектическая реакция Ж+δ→γ при 1490°С на горизонтали HJB. В результате вся жидкость исчезает, а сплавы приобретают двухфазную структуру δ+γ. В интервале температур от горизонтали HJB до линии NJ δ-фаза постепенно исчезает, превращаясь в γ-фазу. В сплаве, содержащем точно 0,16%С, перитектическая реакция Ж+δ→γ завершается таким образом, что полностью расходуются и δ-кристаллы, и жидкость, так что сплав после 1490°С оказывается γ-твердым раствором. В сплавах с содержанием углерода от 0,16 до 0,5% (от точки J до точки В) в ходе перитектической реакции при 1490°С расходуются все прежде выпавшие δ-кристаллы, но остается часть жидкости, из которой при дальнейшем понижении температуры выпадают кристаллы γ-твердого раствора вплоть до полной кристаллизации.

Сплавы с 0,5 – 2,14%С (от В до Е) кристаллизуются как твердые γ-растворы, при этом состав жидкости описывается линией ликвидуса ВС, а состав кристаллов линией солидуса JE. В более богатых углеродом сплавах, содержащих от 2,14 до 4,3% этого элемента (от точки Е до С), в ходе выпадения кристаллов у- раствора жидкость достигает точки С, после чего происходит эвтектическая реакция Ж→γ+Fе3С. Поскольку налицо три фазы, то в двухкомпонентной системе число степеней свободы С = К-Ф+1 = 2-3+1 = 0. Поэтому во всех этих сплавах кристаллизация будет заканчиваться при постоянной и одинаковой температуре, равной 1147°С. Чем больше углерода в этом интервале концентраций, тем ниже температура начала кристаллизации, тем меньше количество первичных кристаллов γ-раствора и тем больше количество эвтектической составляющей в структуре.

Самый низкоплавкий сплав с 4,3% С, представляющий чистую эвтектику, кристаллизуется и плавится при постоянной температуре 1147°С. При больших содержаниях углерода (от 4,3 до 6,67%) кристаллизация начинается с выпадения первичных кристаллов карбида железа и заканчивается также при 1147°С образованием эвтектики γ+Fе3С. Чистый карбид железа плавится около 1600°С, растворимостью железа в нем практически можно пренебречь.

Таким образом, ниже 1147°С все сплавы в рассматриваемой системе оказываются в твердом состоянии. Однако при дальнейшем понижении температуры во многих из них происходят глубокие изменения фазового состава. При 1147°С все сплавы, содержащие от 0 до 2,14% С, представляют однородные твердые γ-растворы. Более богатые углеродом сплавы имеют двухфазную структуру, состоящую из γ-раствора и фазы Fе3С. Количество каждой из фаз зависит от содержания углерода, т. е. от положения сплава на диаграмме состояния, и определяется правилом рычага. Так, в сплаве с 4,3% С (чистая эвтектика γ+Fе3С) γ-фаза составляет, % (по массе):

(6,67-4,3) : (6,67-2,14) = 52, а фаза Fe3C-(4,3-2,14) : (6,67-2,14) = 48, или просто по разности 100% – 52% = 48%. При 3,3% С доля γ-фазы равна (6,67-3,3) : (6,67-2,14) = 74%, а фазы Fe3C – 36%.

При понижении температуры сплавы, содержащие до 0,02% С (точка Р), целиком превращаются в α-растворы. Это превращение совершается, как и следует, по правилу фаз в интервале температур, определяемым расстоянием по вертикали между линиями GS и GP. При этом состав появляющейся α-фазы описывается линией GP, а исчезающей γ-фазы – линией GS. В сплавах, содержащих более 0,02% С, γ-фаза в ходе превращения достигает при температуре 727°С точки 5 (0,8% С). Эта точка называется эвтектоидной, так как здесь γ-фаза превращается одновременно в две фазы – α и Fe3C.

Таким образом все сплавы, содержащие от 0,02 до 2,14% С, попадая на эвтектоидную горизонталь PSK, при 727°С испытывают эвтектоидное превращение. Однако в сплавах, содержащих от 0,02 до 0,8% С, эвтектоидному превращению предшествует выделение α-фазы по линии GP из γ-фазы, состав которой описывается линией GS. В сплавах, содержащих от 0,8 до 2,14% С, из γ-фазы предварительно выделяется фаза Fe3C, при этом состав γ-фазы изменяется по линии ES.

Во всех сплавах с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% непосредственно после эвтектического превращения при 1147°С концентрация углерода в γ-фазе составляет 2,14% (точка Е). Снижение температуры, как видно, сопровождается обеднением γ-раствора по углероду до 0,8% (точка S). Это означает, что из γ-фазы должно выделяться определенное количество фазы Fе3С. Это количество нетрудно найти по правилу рычага. Например, в сплаве эвтектического состава с 4,3% С при 1147°С, как было показано ранее, содержится 48% (по массе) карбида железа Fe3C. При 727°С перед эвтектоидным превращением количество фазы Fе3С должно быть (4,3-0,8) : (6,67-0,8) = 59%, т. е. появилось дополнительно 11% карбида железа. Оставшаяся γ-фаза (41%), достигшая точки S, распадается по эвтектоидной реакции на α-фазу и карбидную фазу Fe3C. После эвтектоидной реакции в сплаве с 4,3% С оказывается (4,3-0,02) : (6,67-0,02) = 64% карбида Fe3C и 36% α-фазы; при достижении 500°С из-за уменьшения растворимости углерода в α-фазе до менее 0,002% количество карбида увеличивается до (4,3-0,002) : (6,67-0,002) = 64,3%, а количество α-фазы уменьшается до 35,7% (по массе).

Читайте также:  Кто такой столяр и чем он занимается

Таким образом, все сплавы железа с углеродом ниже 500°С в равновесном состоянии имеют две фазы: α и Fe3C. Фаза α представляет твердый раствор углерода в α-железе с очень небольшой концентрацией углерода (менее 0,002%). Фаза Fe3C – карбид почти стехиометрического состава, т. е. содержание железа и углерода в ней строго соответствует химической формуле.

На диаграмме нанесена штрих-пунктирная линия МО, изображающая магнитное превращение в α-фазе. Поскольку температура превращения (точка Кюри) практически не изменяется от присутствия небольших количеств углерода (около 0,01%), эта линия горизонтальна и проходит только в двух фазовых областях, где существует α-фаза.

Обозначения фазовых превращений, принятые для чистого железа, сохраняются для сплавов железа с углеродом. В сплавах температуры превращения A4 и A3 переменны в зависимости от содержания углерода и описываются на диаграмме состояния линиями NJ и GS соответственно. Кроме того, в сплавах с углеродом появляется новое превращение A1 – это эвтектоидное превращение при постоянной температуре 727°С. Как видно, в сплаве с 0,8% С превращение A3 сливается с превращением A1.

Фазовое превращение, совершающееся по линии ES (выделение из γ-фазы карбида железа), принято обозначать Aст. В сплавах железо-углерод проходит еще одно превращение, отсутствующее в чистом железе и связанное с переходом карбида железа при охлаждении в ферромагнитное состояние. Это превращение совершается при температуре около 210°С и обозначается A.

Ниже приведены координаты точек диаграммы состояния системы железо – углерод (по температуре и концентрации), а в табл. 4 перечислены наиболее важные превращения с их условными обозначениями.

Точка на диаграмме состояния железо – углерод A B C D E F G H J K M N P S
Температура, °С 1536 1490 1147 1600 1147 1147 910 1490 1490 727 770 1390 727 727
Содержание углерода, % (по массе) 0,5 4,3 6,67 2,14 6,67 0,1 0,16 6,67 0,02 0,8

Диаграмму состояния системы железо – углерод изучают уже более 100 лет, но до сих пор продолжается ее уточнение. Начало изучения этой системы было положено великим русским металлургом Д. К. Черновым. В 1868 г., работая на Обуховском сталелитейном заводе в Петербурге, он на основе визуальных наблюдений и глубокой научной интуиции обнаружил превращение в твердой стали при температуре красного каления. Д. К. Чернов назвал эти критические температуры точками а и b. Точка а была ничем иным, как эвтектоидным превращением А1 при 727°С. Точка b, по-видимому, соответствовала превращению A3.

Условное обозначение превращения Температура и природа превращения
А Около 210°С; наблюдается только в сплавах с углеродом, связано с переходом карбида железа в ферромагнитное состояние при охлаждении
А1 727°С; наблюдается только в сплавах с углеродом, связано с эвтектоидной реакцией γα+Fe3C по линии PSK
А2 Около 770°С; связано с переходом α-железа в ферромагнитное состояние при охлаждении (точка Кюри)
А3 Совершается по линии GS при разных температурах от 910 до 727°С в зависимости от содержания углерода, связано с переходом γα
Аст Совершается по линии SE при разных температурах от 1147 до 727°С в зависимости от содержания углерода, связано с переходом γ3С
А4 Совершается по линии NJ при температурах от 1390 до 1490°С в зависимости от содержания углерода, связано с переходом γδ

Фазовые составляющие в системе железо – углерод, а также эвтектическая и эвтектоидная смеси фаз носят общепринятые интернациональные названия. Твердый раствор углерода в α-железе (и δ-железе) называют ферритом (от латинского "ferrum" – железо), твердый раствор углерода в γ-железа – аустенитом в честь английского ученого-металловеда Робертс-Аустена, карбид железа Fe3C – цементитом из-за его большой твердости. Эвтектическую смесь γ-раствора (аустенита) и карбида Fe3C (цементита) называют ледебуритом в честь немецкого металловеда Ледебура, эвтектоидная смесь α-раствора (феррита) и карбида Fe3C (цементита) – перлитом за перламутровый цвет шлифа после травления.

Феррит мягок и пластичен, имеет твердость НВ (60 – 130) в зависимости от величины зерна и степени холодной деформации. Относительное удлинение феррита в отожженном состоянии около 40%. Ниже 770°С он ферромагнитен, выше этой температуры (точки Кюри) парамагнитен. Цементит очень тверд (HRC 80) и хрупок. Имеет точку Кюри при 210°С. Различают первичный, вторичный и третичный цементит. Первичный цементит выделяется из жидкости по линии DC, вторичный – из аустенита по линии ES, третичный – из феррита по линии PQ. Аустенит, как видно из диаграммы состояния системы железо – углерод, существует лишь при высоких температурах. Его так же, как и γ-фазу в чистом железе, почти невозможно сохранить при низких температурах. Однако с помощью специальных мер удалось переохладить аустенит в двойных сплавах железа с углеродом и исследовать его свойства. Он оказался более твердым, нежели феррит (НВ 200 – 250), но столь же пластичен.


Рис. 47. Микроструктура сплавов железа с углероом. х100: а – 0,01% С; б – 0,6% С; в – 0,8% С (х600); г – 1,2% С; д – 3% С; е – 4,3% С; ж – 5% С

Несмотря на то что при комнатной температуре практически все сплавы железа с углеродом имеют двухфазную структуру, состоящую из феррита и цементита, вид структуры резко различен из-за прошедших в процессе охлаждения превращений. Сплавы с очень малым содержанием углерода (менее 0,01%) состоят практически из одного феррита (рис. 47, а). Лишь очень редко по границам зерен попадаются тонкие прослойки третичного цементита. Структура сплава железа с 0,6% С состоит из феррита и перлита (рис. 47, б). Светлые зерна – феррит, темные сильно протравившиеся участки – перлит. При большом увеличении можно видеть двухфазное строение перлита. При обычных условиях охлаждения (около 100 град/мин) перлит имеет пластинчатое строение, при этом чередующиеся пластинки цементита и феррита имеют толщину около 1 – 2 мкм. В структуре сплава с 0,8% С обнаруживается сплошной перлит (рис. 47, в). В сплаве с 1,2% С в структуре можно видеть вторичный цементит в виде светлых прожилок, появившихся из аустенита, и темные поля перлита (рис. 47, г). Доэвтектический сплав железа с 3% С имеет структуру (рис. 47, д), в которой можно различить дендриты аустенита, претерпевшего затем эвтектоидный распад и превратившегося в перлит. Остальное поле занимает эвтектика (ледебурит), которая сразу после кристаллизации состояла из аустенита и цементита. При 727°С включения аустенита также превратились в перлит. Эвтектический сплав железа с 4,3% С обладает чисто эвтектической структурой, состоящей из смеси выделений цементита и перлита, образовавшегося на месте аустенита (рис. 47, е). В структуре заэвтектического сплава с 5% С (рис. 47, ж) хорошо различимы светлые иглы первичного цементита и эвтектика из перлита (бывшего аустенита) и цементита.

Все описанные структуры, присущие сплавам системы железо – карбид железа, получены при средних скоростях охлаждения 50 – 100 град/мин, Если сплавы охлаждаются очень медленно или подвергаются длительным отжигам, то для понимания возникающих структур необходимо обратиться к системе железо – графит. Фазовые переходы в этой системе изображены на рис. 46 пунктирными линиями, проходящими на 7 – 10°С выше сплошных. В равновесном состоянии все сплавы системы железо – графит при комнатной температуре имеют двухфазную структуру, состоящую из феррита и включений графита. Включения графита тем крупнее, чем больше было содержание углерода и чем длительнее были отжиги.

Все сказанное выше относится к двойной системе железо – углерод. В используемых в технике железоуглеродистых сплавах всегда содержатся марганец и кремний (от десятой доли % и более) и примеси серы и фосфора (сотые доли процента). Следовательно, эти сплавы не двухкомпонентные, а более сложные. Поэтому использовать диаграмму состояния двойной системы железо – углерод для выяснения фазовых превращений в таких сложных сплавах необходимо с большой осмотрительностью. Прежде всего присутствие других компонентов изменит температуры превращений. Обычно эти температуры понижаются. Далее, перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращения, происходящие в двухкомпонентной системе при постоянной температуре перестанут быть нонвариантными и будут проходить в интервале температур.

Читайте также:  Паяльник для пайки медных труб

Применяемые в технике железоуглеродистые сплавы делят на две группы в зависимости от содержания углерода. Сплавы, содержащие до 2,14% С (точка Е на диаграмме состояния системы железо – углерод), называются углеродистыми сталями. Их отличительная особенность состоит в том, что они кристаллизуются как твердые растворы, в их структуре отсутствует эвтектика (ледебурит или железо – графит). Сплавы, содержащие более 2,15% С, называют чугунами.

Диаграмма состояния железо-карбид железа.doc

3. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы. Опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600 °С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,6 % С. Для заданного сплава определите при температуре 1350 °С процентное содержание углерода в фазах и количественное соотношение фаз.

Точка А (1539° С) на диаграмме соответствует температуре плавления чистого железа, а точка D (

1550° С) – температуре плавления цементита Fe3C. Точка G (911° С) соответствуют полиморфному превращению γ – железа в α – железо. Точка Е характеризует предельную растворимость углерода в γ – железе при 1147° С (2,14% С).

Процесс кристаллизации сплавов начинается по достижении температур, соответствующих линии ACD (линия ликвидус). Конец затвердевания соответствует температурам, образующим линию солидус AECF.

При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии CD — цементит. В точке С при 1147° С и концентрации углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит, образуя эвтектику, которая называется ледебуритом.

Сплавы, содержащие до 2,14% С, кристаллизуются в интервале температур, ограниченном линией АС и АE. После затвердевания (ниже линии солидус АE) сплавы получают однофазную структуру — аустенит.

При кристаллизации доэвтектических сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3% С, из жидкой фазы по достижении температур, соответствующих линии ликвидус АС, сначала выделяются кристаллы аустенита, а при 1147° С (линия ЕС) сплавы затвердевают с образованием эвтектики — ледебурита. Следовательно, доэвтектические сплавы после затвердевания и при температурах выше 727° С имеют структуру аустенит + ледебурит (А + Fe3C).

Заэвтектические сплавы, содержащие от 4,3 до 6,67% С, начинают затвердевать по достижении температур, соответствующих линии CD. Первоначально из жидкой фазы выделяются кристаллы цементита, а по достижении 1147° С (линия ECF) сплавы окончательно затвердевают с образованием эвтектики — ледебурита.

После затвердевания структура сплава состоит из кристаллов цементита + ледебурит. Цементит, образующийся из жидкой фазы, называют первичным цементитом.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С, называют сталью; сплавы, содержащие более 2,14% С, – чугуном.

Рассмотрим теперь превращения, протекающие в твердом состоянии. Эти превращения связаны с переходом при охлаждении γ – железа в α – железо и распадом аустенита.

Линия GS на диаграмме при охлаждении соответствует температурам начала превращения γ α. Ниже линии GS из аустенита выделяется феррит. Критические точки, образующие линию GS в условиях равновесия, принято обозначать Аr3 при охлаждении и Аc3 при нагреве (конец растворения феррита).

Линия ES показывает изменение растворимости углерода в аустените с изменением температуры и при охлаждении соответствует температурам начала распада аустенита с выделением из него цементита.

Цементит, выделяющийся из аустенита, в отличие от цементита, кристаллизующегося из жидкой фазы, называют вторичным. Критические точки, образующие линию ES, обозначают Асm.

Точка S при 727° С и концентрации углерода 0,8% показывает минимальную температуру равновесного существования аустенита при охлаждении.

По достижении 727° С происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси, которую называют перлитом. Эвтектоид — перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Таким образом, перлит содержит 0,8% С, образуется при 727° С и представляет собой механическую смесь двух фаз — феррита и цементита. Температуру фазового равновесия (727° С, линия PSK) аустенит перлит (феррит + цементит) обозначают Аr1 (при охлаждении) и Ас1 (при нагреве).

Точка Р характеризует предельную растворимость углерода в α – железе при эвтектоидной температуре 727° С; она составляет 0,020% С.

Линия PQ показывает изменение растворимости углерода в α – железе в зависимости от температуры и соответствует при охлаждении началу выделения из феррита избыточного цементита. Следовательно, сплавы левее точки Q состоят только из феррита, а сплавы, концентрация которых находится в пределах от Q до Р имеют двухфазную структуру; феррит и избыточный цементит, выделяющийся из твердого раствора при понижении температуры. Цементит, выделяющийся из феррита, называют третичным цементитом.

Сплавы, содержащие не более 0,020% С, называют техническим железом.

Сплавы, имеющие концентрацию углерода до 0,8% (точка S), называют доэвтектоидными сталями. Они имеют структуру феррита, выделяющегося из аустенита в области температур Аr3 и Аr1 и перлита, образующегося из аустенита по достижении температуры Аr1 (727° С, линия PSK).

Сталь с 0,8% С называется эвтектоидной. Она имеет в структуре только эвтектоид — перлит.

Стали, содержащие от 0,8 до 2,14% С (точка Е), называются заэвтектоидными. Они имеют структуру, состоящую из вторичного цементита, выделившегося из аустенита при температурах ниже линии ES, и перлита, образовавшегося в результате распада аустенита по достижении эвтектоидной температуры (727° С, линия PSK).

В доэвтектических чугунах при понижении температуры вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените, указываемого линией SE, происходит частичный распад аустенита: первичных кристаллов, выделившихся из жидкости, и аустенита, входящего в ледебурит. Этот распад заключается в выделении кристаллов вторичного цементита и в уменьшении содержания углерода в аустените.

По достижении температуры, соответствующей линии PSK (727° С), аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидного состава (0,8% С), превращается в перлит. Доэвтектические чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру перлита, ледебурита (перлит + цементит) и вторичного цементита.

Эвтектический чугун (4,3% С) при температурах ниже 727 °С состоит только из ледебурита.

Эвтектический чугун (4,3% С) кристаллизуется при 1147 °С (площадка на кривой охлаждения). После затвердевания чугун состоит только из ледебурита. При дальнейшем охлаждении из аустенита выделяется вторичный цементит, а при 727° С происходит эвтектоидный распад аустенита, содержащего 0,8% С, с образованием перлита.

Следовательно, при температуре выше 727° С ледебурит состоит из аустенита и цементита, а ниже 727° С – из перлита и цементита.

Ледебурит представляет собой колонии цементита пластинчатой формы и мелкие (иногда разветвленные) включения перлита, образовавшегося в участках залегания аустенита.

Рассмотрим превращения, протекающие в заэвтектоидных сталях. Сталь с 1,6% С начинает затвердевать при температуре t1. На кривой охлаждения при этой температуре наблюдается перелом, вызываемый выделением из жидкости кристаллов аустенита (С = 2 + 1— 2 = 1). При t2 сплав затвердевает и до температуры t3 (критическая точка Асm) состоит только из кристаллов аустенита.

По достижении точки t3 (линии Асm) аустенит оказывается насыщенным углеродом и при дальнейшем понижении температуры распадается с выделением вторичного цементита. Поэтому ниже Асm (т. е. ниже линии ES) сплав становится двухфазным (аустенит + вторичный цементит). По мере выделения цементита концентрация углерода в аустените уменьшается (линия ES). При снижении температуры до Ar1 (727 ˚С) аустенит, содержащий 0,8% С (точка S), распадается с образованием перлита.

Эти же превращения претерпевают все заэвтектоидные стали; после охлаждения они состоят из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки по границам бывшего зерна аустенита или в виде игл. При комнатной температуре сплав состоит из перлита и вторичного цементита и называется заэвтектоидной сталью.

Рассмотрим соотношение фаз при температуре 1350˚С:

Трудно представить современное строительство, технику, машиностроение и другие важнейшие отрасли без применения главных металлических сплавов из стали и чугуна. Их производство превышает все остальные в десятки раз.

Если рассмотреть сталь и чугун с точки зрения такой науки, как металловедение, то центральной фигурой предстает диаграмма состояния сплавов железо-углерод, которая позволяет получить подробные представления о составе и структурных превращениях в этих материалах. А также познакомиться с их фазовым составом.

История открытия

Впервые на то, что в сплавах (сталях и чугунах) есть определенные (особые) точки, указал великий металлург и изобретатель – Дмитрий Константинович Чернов (1868 год). Именно он сделал важное открытие о полиморфных превращениях и является одним из создателей диаграммы состояния железо-углерод. По мнению Чернова, положение этих точек на диаграмме имеет прямую зависимость от процентного содержания углерода.

Читайте также:  Сабельная пила 220 вольт

И что самое интересное, именно с момента этого открытия и начинает свою жизнь такая наука, как металлография.

Диаграмма сплавов железа с углеродом является результатом кропотливого труда ученных нескольких стран мира. Все буквенные обозначения главных точек и фаз в диаграмме являются интернациональными.

Понятие диаграммы

Графическое изображение процессов, происходящих в сплаве при изменении температурного режима, концентрации веществ, давления, называется диаграммой состояния. Она позволяет объемно и наглядно увидеть все превращения, происходящие в сплавах.

Элементы диаграммы железо-углерод

Краткая информация о каждом из этих элементов.

Железо – это серебристо-серый металл. Удельный вес – 7, 86 г/см3. Имеет температуру плавления 1539° С.

При взаимодействии железа и других металлов образуются соединения, называемые растворами замещения. Если с неметаллами, например с углеродом или водородом, то – растворами внедрения.

Железо имеет способность, будучи изначально твердым, находиться в нескольких состояниях, которые в металловедении принято называть "альфа" и "гамма". Это качество называется полиморфизмом. Об этом далее в статье.

Углерод – это неметалл. Если он выступает как графит, то температура плавления равна 3500° С. Если как алмаз – 5000° С. Плотность углерода – 2,5 г/см 3 . Он также обладает полиморфическими свойствами.

В сплавах железо-углерод этот элемент образует твердый раствор, в составе которого есть феррум, называемый цементитом (Fe3C). Также формирует графит в чугунах.

Диаграмма сплава железо-углерод

В результате взаимодействия составляющих диаграммы друг с другом, получается цементит – химическое соединение.

Как правило, при изучении диаграммы студентами-металловедами, все устойчивые соединения рассматриваются как компоненты, а само графическое изображение исследуется по частям.

Также на занятиях строят кривую охлаждения по диаграмме железо-углерод: выбирается процент углерода, а затем необходимо определить, какая фаза соответствует какой температуре на диаграмме.

Для этого необходимо кроме самой диаграммы начертить систему координат (температура-время). И начиная с максимальных градусов, двигаться постепенно вниз, изображая кривую и участки перехода одной фазы в другую. При этом необходимо называть их и указывать тип кристаллической решетки.

Далее рассмотрим подробнее само графическое изображение диаграммы состояния железо-углерод.

Во-первых, она имеет две формы (части):

Во-вторых, сплавы, в которых главными "действующими лицами" является феррум и углерод, условно делят на:

Если углерода в сплаве менее или равно 2,14 % (точка Е на диаграмме), то это сталь, если более 2,14 % – чугун. По этой причине и подразделяют диаграмму на две фазы.

Полиморфные превращения

Более подробно о каждой фазе чуть ниже в статье. А если кратко, то осуществление главных превращений происходит при особых температурах.

Состояние железа обозначают как α-феррум (при температуре менее 911° С) . Кристаллическая решетка – объемный гранецентрированный куб. Или ОЦК. Дистанция между атомами такой решетки достаточно высокая.

Железо приобретает модификацию гамма, то есть обозначается как γ-феррум (911-1392° С) . Кристаллическая решетка – гранецентрированный куб (ГЦК). В этой решетке дистанция между атомами ниже, чем в ОЦК.

При переходе α-феррума в γ-феррум объем вещества становится меньшим. Причиной тому является кристаллическая решетка – ее вид. Потому что решетка ГЦК имеет более упорядоченное состояние атомов, чем ОЦК.

Если переход осуществляется в обратном направлении – из γ-феррума в α-феррум, то объем сплава увеличивается.

Когда температура достигает значения 1392° С (но менее температуры плавления железа 1539° С), то α-феррум превращается в δ-феррум, но это не является ее новой формой, а лишь разновидностью. К тому же δ-феррум является неустойчивой структурой.

Свойства технически чистого железа

Магнитные свойства железа при различных температурах:

  • менее 768° С – ферромагнитно;
  • более 768° С – парамагнитно.

А температурную точку 768° С называют точкой магнитного превращения, или точкой Кюри.

Свойства технически чистого железа:

  • твердость – 80 НВ;
  • временное сопротивление – 250 МПа;
  • предел текучести – 120 МПа;
  • относительное удлинение 50 %;
  • относительное сужение – 80 %;
  • высокий модуль упругости.

Карбид железа

Графический вид составляющей части диаграммы железо-углерод: Fe3C. Вещество называется карбидом железа, или цементитом. Для него характерно:

  1. Содержание углерода 6,67 %.
  2. Удельный вес – 7,82 %.
  3. Кристаллическая решетка имеет ромбическую форму, состоящую из октаэдров.
  4. Плавление происходит при температуре ≈1260° С.
  5. Низкие ферромагнитные свойства при пониженной температуре.
  6. Твердость – 800 НВ.
  7. Пластичность практически равна нулю.
  8. Карбид железа образует твердые растворы замещения, в которых атомы углерода замещаются атомами неметаллов (азотом), а атомы железа – металлами (хромом, вольфрамом, марганцем). Этот твердый состав называется легированным.

Как уже отмечалось выше, цементит – это нестабильная фаза, а графит – стабильная. Поскольку первое вещество представляет собой неустойчивое соединение, распадаясь при определенных температурных условиях.

В диаграмме железо-углерод есть такие состояния:

Рассмотрим каждую из них подробно.

Жидкая фаза

Феррум в жидком состоянии хорошо растворяет углерод. Это независимо от того, в какой пропорции они находятся по процентному содержанию. В результате образуется однородная жидкая масса.

Феррит

Является твердым раствором внедрения углерода в α-ферруме. Также может быть включено небольшое количество примесей. Но феррит имеет почти одинаковые качества, как и чистое железо. Если рассмотреть структуру под микроскопом, то можно увидеть полиэдрические зерна светлого тона.

  • низкотемпературный (при температуре 727° С растворимость углерода 0,02 %);
  • высокотемпературный (при 1499° С растворимость углерода 0,1 %), или его называют δ-феррум.
  • твердость – 80-120 НВ;
  • временное сопротивление – 300 МПа;
  • относительное удлинение – 50 %;
  • обладает хорошими магнитными свойствами (до температуры 768° С).

Аустенит

Это твердый раствор внедрения углерода в γ-ферруме. Также могут быть в небольшом количестве примеси. В кристаллической решетке углерод находится в центре ГЦК ячейки. При рассмотрении структуры аустенита под микроскопом, виден как светлые зерна полиэдрической формы с двойниками.

Обладает следующими характеристиками:

  1. Растворимость углерода в γ-ферруме 2,14 % (при температуре 1147° С).
  2. Твердость аустенита 180 НВ;
  3. Удлинение – 40-50 %;
  4. Хорошие парамагнитные качества.

Цементит и его формы

Присутствует в таких фазах: Ц1, Ц2, Ц3 (первичный, вторичный и третичный цементит).

Что касается физико-химических показателей этих трех состояний, то они приблизительно равны. На механические свойства влияет размер частиц, их количество и расположение.

Также по диаграмме видно, что:

  • Ц1 образуется из жидкого состояния (под микроскопом он виден как пластины крупной величины);
  • Ц2 – из аустенита (располагаясь вокруг его зерен в виде сетки);
  • Ц3 – из феррита (располагаясь у границ ферритных зерен в виде мелких частиц).

Перлит и ледебурит

Смесь феррита и цементита называется перлитом. Он образуется при распаде аустенита (при температуре менее 727° С). При увеличении эта структура имеет форму пластин или зерен.

Перлит при постепенном снижении температуры присутствует во всех сплавах с содержанием углерода 0,02-6,67 %.

Ледебурит – смесь аустенита и цементита. Он образуется из жидкой фазы при охлаждении до температуры ниже 1147° С.

Чугуны

Сплавы на диаграмме железо-углерод, которые содержат углерода более, чем 2,14 %, называются чугунами. Они обладают высокой хрупкостью. Поперечное сечение такого чугуна имеет светлый тон, а потому его называют белым чугуном.

На диаграмме это точка С, называемая эвтектикой, с соответствующим содержанием углерода 4,3 %. При кристаллизации образуется смесь, состоящая из аустенита и цементита, в совокупности называемая ледебуритом. Фазовый состав постоянен.

При концентрации углерода менее 4,3 % (доэвтектический чугун) при кристаллизации выделяется аустенит из раствора. Далее из него выделяется Ц2. А при 727° С аустенит превращается в перлит. Структурное состояние такого чугуна следующее: крупные участки перлита темного тона.

В заэвтектическом белом чугуне (углерода более 4,3%) при охлаждении структурирование происходит с образованием кристаллов Ц1. Далее превращения осуществляются уже в твердом состоянии. Структура представляет собой ледебурит, который является фоном для полей перлита темного тона. А крупные пласты – это Ц1.

Выводы

Достичь абсолютного равновесия, как физического, так и химического, невозможно, кроме как в специальных лабораторных условиях.

На практике равновесие может быть приближено к абсолютному, но при определенных условиях: достаточно медленного повышения или понижения температуры сплава, который будет длительно выдерживаться по времени.

Комментировать
3 356 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Инструменты
0 комментариев
No Image Инструменты
0 комментариев
No Image Инструменты
0 комментариев
Adblock detector