Opori-osveshenia.ru

Опоры освещения
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) железо-углерод (иногда говорят железо-цементит) — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до цементита. Поскольку цементит фаза метастабильная, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке). Для серых чугунов и графитизированных сталей необходимо рассматривать стабильную диаграмму железо-графит (Fe-Гр), поскольку именно графит является стабильной фазой. Цементит образуется намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго. В серых чугунах графит существует обязательно. На рисунке тонкими пунктирными линиями показаны линии стабильного равновесия (то есть с участием графита), там где они отличаются от линий метастабильного равновесия (с участием цементита), а соответсвующие точки обозначены штрихом. (Отметим, что обозначения фаз и точек на этой диаграмме подчиняются молчаливому международному соглашению.)

Фазы диаграммы железо — цементит

В системе железо — цементит существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с ОЦК (объемно-центрированной кубической) решеткой.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 727 °C (точка P). Атомы углерода располагается в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине ребер куба, а также в дефектах решетки.

При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка I)

Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость — 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсуствии углерода) до 770 °C.

3. Аустенит (γ) — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решеткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен.

При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.

4. Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Он твердый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.

В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:

  •  — цементит первичный (выделяется из жидкости),
  •  — цементит вторичный (выделяется из аустенита),
  •  — цементит третичный (из феррита),
  •  — цементит эвтектический и
  •  — эвтектоидный цементит.

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зернами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.

Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.

Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твердости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.

5. Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решеткой. Плотность графита (2,3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5 — 7,8) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.

Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфероидов (высокопрочный чугун).

Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности — высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и некоторых марках стали — в графитизированных сталях.

Глава 4.1. Диаграмма состояния системы железо — цементит

Общие сведения. Железо — мягкий металл серебристо-белого цвета. Чистое железо содержит 99,99 % Fe, технические сорта железа — 99,80. 99,91 % Fe. Температура плавления железа 1539°С. До температуры 768°С — точки Кюри (А2) — железо обладает магнитными свойствами, а при этой температуре их теряет. Железо имеет две аллотропические модификации: Feα с ОЦК решеткой и Feγ с ГЦК решеткой (рис. 4.1). α-железо существует при температурах ниже 911°С и выше 1401°С. В интервале температур 911. 1401°С существует γ-железо. Чистое железо не имеет широкого промышленного применения. В технике применяют ставы железа с углеродом, структура которых описывается диаграммой состояния железо — углерод.

Читайте так же:
2 Тактное масло для лодочных моторов

Рис. 4.1. Критические точки железа:

Аc3, Ar3 — полиморфное превращение феррита в аустенит при нагреве и охлаждении соответственно; Аc4, Ar4 — переход аустенита в 8-феррит при нагреве и охлаждении соответственно

При содержании углерода 6,67% образуется химическое соединение со стехиометрической формулой Fe3C. Это карбид железа, получивший название цементит, он обладает высокой твердостью до 850 HV. Как уже было описано в гл. 2, диаграммы состояния с компонентами, образующими химическое соединение, часто рассматриваются в пределах системы компонент — химическое соединение, где химическое соединение играет роль компонента (см. рис. 2.26). Именно до момента получения химического соединения — цементита — и построена диаграмма (рис. 4.2), поэтому ее часто называют диаграмма состояния системы железо — цементит (Fe —Fe3C). Рассмотрение диаграммы в таких пределах оправдано тем, что в промышленности нашли широкое применение сплавы с содержанием углерода, не превышающим указанное значение. Эта диаграмма имеет исключительно важное значение для теории и практики термической обработки. Напомним, что она описывает структуру сплавов, находящихся в равновесном состоянии, т. е. полученную только в результате медленного охлаждения или нагрева.

Диаграмма состояния системы Fe — Fe3C. Компонентами системы (см. рис. 4.2) являются:

  • железо; температура плавления 1 539°С (точка А диаграммы), температура полиморфного превращения 911 °С (точка G);
  • цементит; температура плавления 1560 °С (точка D диаграммы).

Помимо химического соединения цементита (Ц) железо образует с углеродом твердые растворы и смеси (см. гл. 2), которые являются фазовыми и структурными составляющими.

Твердые растворы. Феррит (Ф) — твердый раствор углерода в α-железе, обозначается Feα(C). Растворимость углерода в феррите весьма низкая — около 0,006 % при 20 °С (точка Q диаграммы), она возрастает при повышении температуры и достигает максимального значения 0,02 % при 727 °С (точка Р диаграммы). Кристаллическая решетка феррита — ОЦК. Феррит — твердый раствор внедрения: атомы углерода располагаются в междоузлиях решетки a-железа. Феррит магнитен и весьма пластичен. Твердость феррита 80. 100 НВ.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода в γ-железе, обозначается Feγ(C). Аустенит существует только при высоких температурах — 727°С и выше. Растворимость углерода в аустените высокая — 0,8 % при минимальной температуре его существования 727°С (точка S диаграммы). Она возрастает при повышении температуры (так же, как в феррите) и достигает максимального значения 2,14% при температуре 1147°С (точка E диаграммы). Кристаллическая решетка аустенита — ГЦК. Аустенит — твердый раствор внедрения. Аустенит немагнитен, его удельный объем меньше, чем у феррита, вследствие более высокой атомной плотности (см. гл. 2). Твердость аустенита около 200 НВ.

Рис. 4.2. Диаграмма состояния сплава железо — цементит

Цементит, феррит и аустенит являются однофазными структурными составляющими.

Смеси. При температуре 1147 °С в сплавах с содержанием углерода 2,14% и более из жидкого состояния образуется эвтектика (см. гл. 2). Эвтектическое превращение происходит при постоянной температуре. Напомним, при эвтектическом превращении одновременно существуют три фазы: жидкая и две твердые, т. е. число степеней свободы С = 0.

Эвтектика в системе Fe — Fe3C называется ледебуритом (Л), который представляет собой смесь аустенита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации жидкости постоянного состава (4,3 % С). Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой Ж4,3  Л[А2,14 + Ц6,67]. Цифры означают содержание углерода в соответствующих фазах в момент превращения: его содержание в аустените, равное 2,14%, соответствует точке Е диаграммы; содержание углерода в цементите 6,67 % — точке F. Конода при температуре 1147°С совпадает с линией диаграммы ECF. Ледебурит имеет высокую твердость (550 HV), очень хрупок.

При температуре 727 °С в сплавах с содержанием углерода 0,02 % и более аустенит превращается в смесь феррита и цементита, причем эти фазы выделяются одновременно. Таким образом, в превращении одновременно участвуют три фазы, т.е. оно происходит при постоянной температуре. Такое превращение из твердого раствора получило название эвтектоидного в отличие от эвтектического, где исходная фаза — жидкость. Полученная смесь в общем случае называется эвтектоид.

В системе Fe — Fe3C эвтектоид называется перлитом (П). Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой: A 0,8  П[Ф0,02 + Ц6,67]. Содержание углерода в феррите соответствует точке Р, в цементите — точке К диаграммы.

Читайте так же:
Как выбрать бензопилу для дома и дачи

Рассмотрим те превращения в системе Fe — Fe3C, которые определяют структуры сплавов после окончательного охлаждения, т.е. при комнатной температуре.

Превращения, происходящие на горизонтальных линиях ECF и PSK, рассмотрены ранее — это эвтектическое и эвтектоидное превращения. Таким образом, в структуре сплавов, содержащих более 2,14% С (лежащих правее точки Е), будет присутствовать ледебурит; сплавов, содержащих более 0,02 % С (лежащих правее точки Р), — перлит.

Важное значение имеют наклонные линии диаграммы: DC, ES, PQ. Все они показывают предельную растворимость углерода соответственно в жидкости, аустените и феррите.

Это означает, что во время охлаждения сплавов с содержанием углерода более 4,3 % при достижении температуры, соответствующей линии DC, будет выделяться цементит вследствие уменьшения растворимости углерода в жидкой фазе. Этот цементит называется первичным (Ц1). Кристаллы первичного цементита крупные, они выделяются из жидкости, которая не препятствует их росту.

При охлаждении сплавов, лежащих правее линии ES, вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры из него будет выделяться цементит, называемый вторичным (Цп)- По аналогии цементит, выделяющийся из феррита (линия PQ), называется третичным (Ц1П).

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 состояния

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:

  1. Техническое железо.
  2. Стали.
  3. Чугуны.

Техническое железо

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

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%.

Железо

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

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.

Углерод

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

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.

Читайте так же:
7812 Характеристики схема подключения

Цементит

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.

Цементит

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.

Феррит

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.

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

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.

Диаграмма железо-цементит

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

Вторичный

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.

Третичный

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

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

Перлит

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.

Читайте так же:
Антенна для телевизора внутренняя

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.

2. Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Черные металлы и сплавы занимают важное место в международной торговле. При таможенной экспертизе особое значение придается структуре металлов и сплавов.

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют поликристаллическую структуру, состоящую из отдельных зерен – монокристаллических областей, ориентированных друг относительно друга под различными углами.

Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющееся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Для железа наиболее характерными являются 2 типа кристаллических решеток (Рис. 7.1.):

Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) при температуре до 910 С. Железо этой модификации (α-железо) обладает повышенной пластичностью и магнитными свойствами до 768 С (точка Кюри).

Гранецентрированная кубическая (ГЦК) при температуре выше 910 С. Железо этой модификации (γ-железо) обладает повышенной прочностью, немагнитно.

Рис. 7.1. Атомно-кристаллическое строение металлов с объемноцентрированной кубической (а) и гранецентрированной кубической (б) элементарными ячейками

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. При снижении температуры возникают центры кристаллизации — зародыши, вокруг которых постепенно образуется твердая фаза. Кристаллизация происходит вследствие перехода к более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией.

Процесс кристаллизации характеризуют кривыми охлаждения или нагревания, изображенными в координатах температура — время (Рис. 7.2.).

При охлаждении расплавленного чистого металла вначале (участок 1-2 рис. 7.2, а) понижение температуры идет плавно. При достижении температуры кристаллизации на кривой охлаждения (Рис. 7.2, а) появляется горизонтальный участок 2-3, так как отвод тепла в окружающую среду компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации. После окончания кристаллизации температура вновь понижается равномерно (участок 3-4 рис. 7.2, а).

При охлаждении из жидкого состояния сплава двух металлов процесс кристаллизации протекает несколько иначе (Рис. 7.2, б). Точка 2 соответствует началу выделения из жидкой фазы кристаллов одного из компонентов сплава. Выделяющаяся при кристаллизации теплота замедляет ход кривой охлаждения и в точке 2 кривая изменяет наклон (участок 2-3). Выпадение кристаллов избыточного компонента и равномерное понижение температуры происходит, пока сплав не достигнет определенного состава. В дальнейшем происходит одновременная кристаллизация компонентов при постоянной температуре (участок 3-4 рис. 7.2, б). После полного затвердевания сплава в точке 4 его температура снова начинает снижаться по плавной кривой 4-5.

Рис. 7.2. Кривые охлаждения металла (а) и двухкомпонентного сплава (б)

Температура, соответствующая каким-либо фазовым превращениям в металле или сплаве, называется критической точкой.

Основные типы сплавов.

Для описания свойств сплавов в металловедении используют понятия: система, фаза, компонент.

Системой называют совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении).

Фазой называют однородную по химическому составу, кристаллическому строению и свойствам часть системы, отделенную от других ее частей поверхностью раздела. Однофазной системой является, например, однородная жидкость, твердый чистый металл; двухфазной — механическая смесь двух видов кристаллических веществ.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы), а также химические соединения. По числу компонентов различают двойные, тройные и многокомпонентные сплавы.

Сплавы, находящиеся в твердом состоянии, делят по составу на три группы: твердый раствор, химическое соединение, механиче­ская смесь компонентов.

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов и критических точек в зависимости от температуры и концентрации в условиях равновесия. Равновесными являются такие условия, при которых процессы, протекающие в системе, обратимы.

Диаграмму состояния строят в координатах температура — концентрация. Для построения диаграммы состояния из компонентов изготовляют серию сплавов различного состава и для каждого из них строят кривую охлаждения по результатам термического анализа в координатах температура — время (так же, как для металлов). Особенности поликристаллического строения сплавов в твердом состоянии изучаются с помощью оптического микроскопа обычно при 100—1000-кратном увеличении. Атомная структура сплавов и параметры кристаллических решеток определяются методом рентгеноструктурного анализа.

Читайте так же:
Что нужно для аэрографии

Железо с углеродом могут образовывать одно- и двухфазные системы.

К однофазным системам железоуглеродистых сплавов относятся:

феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Максимальная растворимость С в феррите 0,006 % при 20 С и 0,02 % при 727 С, то есть феррит – практически чистое железо. Феррит магнитен, имеет низкую твердость и прочность (80 — 100 НВ; б = 250 МПа), высокую пластичность;

аустенит – твердый раствор углерода в γ-железе. Максимальная растворимость углерода в аустените 2,14 % при температуре 1147 С. Немагнитен и более твердый (160 – 200 НВ) и прочный.

цементит (карбид железа) – химическое соединение железа с углеродом Fe3C. В цементите содержится 6,67 % углерода; он имеет очень высокую твердость (800 НВ) и очень хрупкий.

графит – кристаллическая разновидность углерода.

Двухфазными системами железоуглеродистых сплавов являются:

перлит – механическая (эвтектоидная) смесь феррита и цементита. Перлит образуется при медленном охлаждении из аустенита при температуре 727 С и содержит углерода 0,8 %, характеризуется своеобразной зернистой структурой и высокой прочностью, твердость 200 – 220 НВ.

ледебурит – механическая (эвтектическая) смесь, состоящая после образования из аустенита и цементита, а после охлаждения – из перлита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации жидкого раствора постоянного состава (4,3 % С) при температуре 1147 С, имеет очень высокую твердость – 800 НВ и хрупкость.

Диаграмма состояния Fe-Fe3C (в упрощенном виде) приведена на рис. 7.3. Диаграмма сплавов железа с углеродом включает сплавы, содержащие от 0 до 6,67 % углерода (100 % Fe3C), так как сплавы с более высоким содержание углерода не имеют практического применения. Такую диаграмму часто называют железо-цементит.

На оси абсцисс откладывают содержание углерода и соответствующее ему содержание цементита, по оси ординат – температуру в градусах Цельсия. Левая ордината соответствует 100 %-ному содержанию железа, правая – 6,67 %-ному содержанию углерода, то есть 100 %-ной концентрации цементита. Буквенные обозначения характерных точек диаграммы общеприняты в международной практике.

На этой диаграмме точка А (1539 С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (1600 °С) — температуре плавления (затвердевания) цементита. Выше линии ACD все сплавы представляют собой однофазный жидкий сплав. Эта линия называется линией ликвидусагреч. — жидкий), показывающая температуры начала затвердевания сталей и чугунов. Линия АЕСF называется линией солидусагреч, — твердый). Ниже линии АЕСF все сплавы находятся в твердом состоянии. Сплав, соответствующий точке С, называется эвтектическим (эвтектикой; с греч. -— легко плавящийся). В точке С при 1147 °С и содержании 4,3 % С из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом.

По линии ликвидуса АС (при температурах, соответствующих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса СD — цементит, называемый первичным цементитом. По линии солидуса АЕ сплавы с содержанием до 2,14 % С окончательно затвердевают с образованием аустенита.

Стали — это железоуглеродистые сплавы с содержанием до 2,14 % С.

Чугуны — это железоуглеродистые сплавы с содержанием более 2,14 % С.

Рис. 7.3. Диаграмма состояния FeFe3C

В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSЕ, РSК, РQ. Процесс выделения кристаллов из твердого раствора называется вторичной кристаллизацией в отличие от образования кристаллов в жидком сплаве (первичная кристаллизация).

Линия РSК (727 °С) — линия эвтектоидного превращения, то есть превращения сплавов в твердом состоянии. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом, или эвтектоидной сталью.

Ниже 727 °С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры. Стали с содержащие менее 0,8 % С — феррит+перлит, называют доэвтектоидными сталями. Стали с содержанием 0,8 % С — перлит, называют эвтектоидными сталями. Стали с содержанием 0,8-2,14 % С — перлит и цементит (вторичный), называют заэвтектоидными сталиями.

Диаграмма состояния имеет большое практическое значение. По диаграмме можно определить температурный интервал ковки или объемной штамповки сплава, температуру нагрева для проведения термической обработки, температуру начала и конца заливки металла в литейные формы и другие технологические параметры.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector