Диаграмма состояния сплавов железо углерод: Диаграмма состояния “железо – углерод”

alexxlab | 12.11.2018 | 0 | Разное

Содержание

Диаграмма состояния "железо - углерод"

Диаграмма состояния железо-углерод (цементит) - это графическое отображение фазового состава и структуры сплавов в зависимости от концентрации углерода и температуры

 

Содержание

Компоненты в системе "железо-углерод"


Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит:

Железо

Железо – d-переходный металл серебристо-светлого цвета. Температура плавления – 1539° С. Удельный вес равен 7,86 г/см3. Наиболее существенной особенностью железа является его полиморфизм. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях - α и γ. Полиморфные превращения происходят при температурах 911° С и 1392° С. При температуре ниже 911° С и выше 1392° С существует Feα (или α-Fе) с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392° С устойчивым является Feγ (или γ-Fе) с гранецентрированной кубической решеткой. При превращении α→γ наблюдается уменьшение объема, так как решетка γ-Fе имеет более плотную упаковку атомов, чем решетка α-Fе. При охлаждении во время превращения γ→α наблюдается увеличение объема. В интервале температур 1392…1539° С высокотемпературное Feα называют Feδ. Высокотемпературная модификация Feα не представляет собой новой аллотропической формы.

При температуре ниже 768° С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точку 768° С, соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри. Модификация Feγ парамагнитна.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (временное сопротивление – σв=250 МПа, предел текучести – σт=120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ=50 %, а относительное сужение – ψ=80 %). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Углерод

Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500° С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000° С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Цементит

Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Более точные исследования показали, что цементит может иметь переменную концентрацию углерода. Однако в дальнейшем, при разборе диаграммы состояния, сделаем допущение, что Fе3С имеет постоянный состав. Кристаллическая решетка цементита ромбическая, удельный вес 7,82 г/см3 (очень близок к удельному весу железа). При высоких температурах цементит диссоциирует, поэтому температура его плавления неясна и проставляется ориентировочно – 1260° С. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 210° С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: например, азотом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Если графит является стабильной фазой, то цементит – это метастабильная фаза. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

Фазы в системе "железо-углерод"


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

Жидкая фаза


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

Феррит

Феррит (Ф, α)- твердый раствор внедрения углерода в α-железе (от латинского слова ferrum – железо). Различают низкотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727° С (точка P) и высокотемпературный δ-феррит (в интервале температур 1392…1539° С) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499° С (точка J).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 80 - 130 НВ, временное сопротивление – σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение - δ=50 %), магнитен до 768° С.

Под микроскопом феррит выглядит как светлые полиэдрические зерна. В сталях может существовать в виде сетки (разной толщины, в зависимости от содержания углерода), зерен (малоуглеродистые стали), пластин или игл (видманштетт).

Аустенит в сталях

Аустенит (А, γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ–железо (по имени английского ученого  Р. Аустена). Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в γ -железе 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е). Аустенит имеет твердость 180 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40…50 %), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. Под микроскопом выглядит как светлые полиэдрические зерна с двойниками.

Цементит – формы существования

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо - цементит и железо - графит. Первая диаграмма (Fе — Fе3С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе - С) - графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура - содержание углерода. Диаграмма состояния системы железо - углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран. Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова. Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части.

Буквенное обозначение узловых точек в диаграмме является общепринятым как в России, так и за рубежом.

Диаграмма состояния железо-углерод

Диаграмма состояния железо-углерод

Имеющиеся во всех областях диаграммы фазы видны на рисунке. Значение всех линий указано в таблице.

Ликвидус по всей диаграмме проходит по линиям АВ, ВС, СD; солидус - по линиям АН, НJ, JЕ, ЕСF. Сплавы железа с углеродом обычно делят на стали и чугуны. Условной границей для такого деления является 2,14 % С (точка E). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % - к чугунам.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения. Обозначаются буквой А. В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс с (от слова chauffage – нагрев) при нагреве и индекс r (от слова refroidissement – охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.

Таким образом, например, нагрев доэвтектоидной стали выше соответствующей точки на линии GS обозначается как нагрев выше точки АС3. При охлаждении же этой стали первое превращение должно быть обозначено как Аr3, второе (на линии РSК) - как Аr1.

Другие структурные составляющие в системе "железо-углерод"


Кроме компонентов и фаз в системе сплавов "железо-углерод" присутствуют другие структурные составляющие - перлит и ледебурит

Перлит

Перлит - эвтектоид, механическая смесь феррита и цементита, полученная в результате распада аустенита при охлаждении сплавов ниже 727° С. При медленном охлаждении перлит присутствует во всех сплавах с концентрацией углерода от 0,02 до 6,67%. Под микроскопом перлит может выглядеть либо как пластины, либо как зерна - зернистый перлит. Его вид, также как и механические свойства, зависит от скорости охлаждения сплава и вида его термической обработки

Ледебурит в сталях

Ледебурит - эвтектика, механическая смесь аустенита и цементита, выделяющаяся из жидкости при охлаждении сплавов ниже 1147° С. Принципиальное отличие эвтектикой составляющей от эвтектоидной заключается в том, что первая выделяется из жидкости, а вторая из твердого раствора, в случае железоуглеродистых сплавов - из аустенита. Название данная структурная составляющая получила в честь имени немецкого ученого-металлурга Ледебура.

Узловые критические точки диаграммы состояния системы железо-углерод

Критические точки диаграммы железо-углерод

Узловые критические точки диаграммы железо-углерод

Значение линий диаграммы состояния системы железо-углерод

Линии диаграммы железо-углерод

Значения линий на диаграмме железо-углерод

 

Всякая диаграмма состояния показывает условия равновесного сосуществования фаз во взятой системе компонентов.

Полное физико-химическое равновесие между фазами может быть достигнуто только в специальных лабораторных условиях, а на практике некоторым приближением к этому состоянию может быть случай чрезвычайно медленного охлаждения или нагрева сплава с весьма длительными выдержками во времени при любых искомых температурах.

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод: структуры, кривые охлаждения

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 состоянияДиаграмма состояния 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 железоТехническое железо

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%.

ЖелезоЖелезо

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 железаПолиморфные 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 углеродаАллотропные 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.

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.

ЦементитЦементит

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.

ФерритФеррит

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 цементитаКристаллическая 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-цементитДиаграмма железо-цементит

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.

ПерлитПерлит

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.

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.

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод — Википедия

Диагра́мма фа́зового равнове́сия (диаграмма состоя́ния) желе́зо—углеро́д (иногда эту диаграмму называют «диаграмма железо—цементит») — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Диаграмма состояния

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы на основе железа с содержанием углерода до 5 %, практически интересна часть диаграммы состояния от чистого железа до цементита[1]. Поскольку цементит — метастабильная фаза, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке).

Для серых чугунов и графитизированных сталей рассматривают стабильную часть диаграммы железо—графит (Fe—Гр), поскольку именно графит является в этом случае стабильной фазой. Цементит выделяется из расплава намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго, несмотря на метастабильность. 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 соответствующие точки обозначены штрихом. Обозначения фаз и точек на этой диаграмме приведены согласно неофициальному международному соглашению.

Фазы диаграммы железо-углерод

Часть диаграммы состояния сплавов железо-цементит

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

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях[источник не указан 441 день] с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с объёмно-центрированной кубической решёткой.

Феррит имеет переменную, зависящую от температуры предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 700 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки[2].

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

Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твёрдость по Бринеллю — 130 НВ) и пластичен, ферромагнитен (при отсутствии углерода) до точки Кюри — 770 °C.

Аустенит (γ) — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е). Аустенит имеет твёрдость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен. При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования[3].

Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит — метастабильная фаза 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 зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен[4].

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 сфер. 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 твёрдости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.[5]

Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Плотность графита (2,3 г/см3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5—7,8 г/см3) 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 сфер (высокопрочный чугун).

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

Фазовые переходы

Линия ACD — это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии ACD — жидкий сплав. Линия AECF — это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).

По линии ликвидуса АС (при температурах, отвечающих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD — цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса AE, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита. На линии солидуса EC (1147° С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделялся аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания будут иметь структуру аустенит + ледебурит.

На линии солидуса CF (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделялся цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания будут иметь структуру — первичный цементит + ледебурит[6].

В области ACEA, между линией ликвидуса AC и солидуса AEC, будет жидкий сплав + кристаллы аустенита. В области CDF, между линией ликвидуса CD и солидуса CF, будет жидкий сплав + кристаллы цементита (первичного). Превращения, протекающие при затвердевании сплавов, называют первичной кристаллизацией. В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14 % образуется однофазная структура — аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми[4].

В железоуглеродистых сплавах превращения происходят также и в твердом состоянии, называемые вторичной кристаллизацией и характеризуемые линиями GSE, PSK, PQ. Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP будет структура аустенит + феррит.

Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147 °С в аустените может раствориться углерода 2,14 %, а при 727°С — 0,8 %. С понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727°С) сталь имеет структуру: аустенит + цементит (вторичный). В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147 °С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже будет выделяться вторичный цементит. Следовательно, ниже линии EC (до температуры 727 °С) белый чугун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вторичный.

Линия PSK (727° С) — это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом. Ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры.

  • Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, имеют структуру феррит + перлит и называются доэвтектоидными сталями.
  • Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью.
  • Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % имеют структуру цементит + перлит и называются заэвтектоидными сталями.
  • Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % имеют структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими чугунами.
  • Белый чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим чугуном.
  • Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % имеют структуру цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чугунами[5].

Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при комнатной температуре. При охлаждении ниже температуры 727° С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом третичный цементит в структуре можно не учитывать из-за весьма малых его количеств. Однако в низкоуглеродистых сталях в условиях медленного охлаждения третичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 76). Эти выделения уменьшают пластические свойства стали, особенно способность к холодной штамповке[5].

См. также

Примечания

  1. ↑ Кузьмин, 1971, с. 91.
  2. ↑ Циммерман, 1982, с. 31.
  3. ↑ Циммерман, 1982, с. 33.
  4. 1 2 Кузьмин, 1971, с. 93.
  5. 1 2 3 Кузьмин, 1971, с. 95.
  6. ↑ Кузьмин, 1971, с. 92.

Литература

  • Кузьмин Б. А., Самохоцкий А. И., Кузнецова Т. Н. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. — Москва: Высшая школа, 1971. — 352 с.
  • Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. — Справ. издание. Пер. с нем.. — Москва: Металлургия, 1982. — 480 с.
Диаграмма состояния сплавов железо-углерод - это... Что такое 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

Часть диаграммы состояния сплавов 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.

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод — Википедия

Диагра́мма фа́зового равнове́сия (диаграмма состоя́ния) желе́зо—углеро́д (иногда эту диаграмму называют «диаграмма железо—цементит») — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Диаграмма состояния

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы на основе железа с содержанием углерода до 5 %, практически интересна часть диаграммы состояния от чистого железа до цементита[1]. Поскольку цементит — метастабильная фаза, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке).

Для серых чугунов и графитизированных сталей рассматривают стабильную часть диаграммы железо—графит (Fe—Гр), поскольку именно графит является в этом случае стабильной фазой. Цементит выделяется из расплава намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго, несмотря на метастабильность. 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 соответствующие точки обозначены штрихом. Обозначения фаз и точек на этой диаграмме приведены согласно неофициальному международному соглашению.

Фазы диаграммы железо-углерод

Часть диаграммы состояния сплавов железо-цементит

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

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях[источник не указан 441 день] с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с объёмно-центрированной кубической решёткой.

Феррит имеет переменную, зависящую от температуры предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 700 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки[2].

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

Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твёрдость по Бринеллю — 130 НВ) и пластичен, ферромагнитен (при отсутствии углерода) до точки Кюри — 770 °C.

Аустенит (γ) — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е). Аустенит имеет твёрдость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен. При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования[3].

Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит — метастабильная фаза 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 зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен[4].

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 сфер. 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 твёрдости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.[5]

Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Плотность графита (2,3 г/см3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5—7,8 г/см3) 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 сфер (высокопрочный чугун).

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

Фазовые переходы

Линия ACD — это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии ACD — жидкий сплав. Линия AECF — это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).

По линии ликвидуса АС (при температурах, отвечающих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD — цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса AE, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита. На линии солидуса EC (1147° С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделялся аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания будут иметь структуру аустенит + ледебурит.

На линии солидуса CF (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделялся цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания будут иметь структуру — первичный цементит + ледебурит[6].

В области ACEA, между линией ликвидуса AC и солидуса AEC, будет жидкий сплав + кристаллы аустенита. В области CDF, между линией ликвидуса CD и солидуса CF, будет жидкий сплав + кристаллы цементита (первичного). Превращения, протекающие при затвердевании сплавов, называют первичной кристаллизацией. В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14 % образуется однофазная структура — аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми[4].

В железоуглеродистых сплавах превращения происходят также и в твердом состоянии, называемые вторичной кристаллизацией и характеризуемые линиями GSE, PSK, PQ. Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP будет структура аустенит + феррит.

Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147 °С в аустените может раствориться углерода 2,14 %, а при 727°С — 0,8 %. С понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727°С) сталь имеет структуру: аустенит + цементит (вторичный). В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147 °С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже будет выделяться вторичный цементит. Следовательно, ниже линии EC (до температуры 727 °С) белый чугун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вторичный.

Линия PSK (727° С) — это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом. Ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры.

  • Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, имеют структуру феррит + перлит и называются доэвтектоидными сталями.
  • Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью.
  • Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % имеют структуру цементит + перлит и называются заэвтектоидными сталями.
  • Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % имеют структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими чугунами.
  • Белый чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим чугуном.
  • Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % имеют структуру цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чугунами[5].

Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при комнатной температуре. При охлаждении ниже температуры 727° С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом третичный цементит в структуре можно не учитывать из-за весьма малых его количеств. Однако в низкоуглеродистых сталях в условиях медленного охлаждения третичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 76). Эти выделения уменьшают пластические свойства стали, особенно способность к холодной штамповке[5].

См. также

Примечания

  1. ↑ Кузьмин, 1971, с. 91.
  2. ↑ Циммерман, 1982, с. 31.
  3. ↑ Циммерман, 1982, с. 33.
  4. 1 2 Кузьмин, 1971, с. 93.
  5. 1 2 3 Кузьмин, 1971, с. 95.
  6. ↑ Кузьмин, 1971, с. 92.

Литература

  • Кузьмин Б. А., Самохоцкий А. И., Кузнецова Т. Н. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. — Москва: Высшая школа, 1971. — 352 с.
  • Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. — Справ. издание. Пер. с нем.. — Москва: Металлургия, 1982. — 480 с.
Диаграмма состояния сплавов железо-углерод — Википедия. Что такое Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Диагра́мма фа́зового равнове́сия (диаграмма состоя́ния) желе́зо—углеро́д (иногда эту диаграмму называют «диаграмма железо—цементит») — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Диаграмма состояния

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы на основе железа с содержанием углерода до 5 %, практически интересна часть диаграммы состояния от чистого железа до цементита[1]. Поскольку цементит — метастабильная фаза, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке).

Для серых чугунов и графитизированных сталей рассматривают стабильную часть диаграммы железо—графит (Fe—Гр), поскольку именно графит является в этом случае стабильной фазой. Цементит выделяется из расплава намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго, несмотря на метастабильность. 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 соответствующие точки обозначены штрихом. Обозначения фаз и точек на этой диаграмме приведены согласно неофициальному международному соглашению.

Фазы диаграммы железо-углерод

Часть диаграммы состояния сплавов железо-цементит

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

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях[источник не указан 441 день] с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с объёмно-центрированной кубической решёткой.

Феррит имеет переменную, зависящую от температуры предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 700 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки[2].

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

Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твёрдость по Бринеллю — 130 НВ) и пластичен, ферромагнитен (при отсутствии углерода) до точки Кюри — 770 °C.

Аустенит (γ) — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е). Аустенит имеет твёрдость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен. При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования[3].

Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит — метастабильная фаза 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 зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен[4].

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 сфер. 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 твёрдости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.[5]

Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Плотность графита (2,3 г/см3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5—7,8 г/см3) 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 сфер (высокопрочный чугун).

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

Фазовые переходы

Линия ACD — это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии ACD — жидкий сплав. Линия AECF — это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).

По линии ликвидуса АС (при температурах, отвечающих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD — цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса AE, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита. На линии солидуса EC (1147° С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделялся аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания будут иметь структуру аустенит + ледебурит.

На линии солидуса CF (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделялся цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания будут иметь структуру — первичный цементит + ледебурит[6].

В области ACEA, между линией ликвидуса AC и солидуса AEC, будет жидкий сплав + кристаллы аустенита. В области CDF, между линией ликвидуса CD и солидуса CF, будет жидкий сплав + кристаллы цементита (первичного). Превращения, протекающие при затвердевании сплавов, называют первичной кристаллизацией. В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14 % образуется однофазная структура — аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми[4].

В железоуглеродистых сплавах превращения происходят также и в твердом состоянии, называемые вторичной кристаллизацией и характеризуемые линиями GSE, PSK, PQ. Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP будет структура аустенит + феррит.

Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147 °С в аустените может раствориться углерода 2,14 %, а при 727°С — 0,8 %. С понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727°С) сталь имеет структуру: аустенит + цементит (вторичный). В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147 °С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже будет выделяться вторичный цементит. Следовательно, ниже линии EC (до температуры 727 °С) белый чугун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вторичный.

Линия PSK (727° С) — это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом. Ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры.

  • Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, имеют структуру феррит + перлит и называются доэвтектоидными сталями.
  • Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью.
  • Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % имеют структуру цементит + перлит и называются заэвтектоидными сталями.
  • Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % имеют структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими чугунами.
  • Белый чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим чугуном.
  • Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % имеют структуру цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чугунами[5].

Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при комнатной температуре. При охлаждении ниже температуры 727° С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом третичный цементит в структуре можно не учитывать из-за весьма малых его количеств. Однако в низкоуглеродистых сталях в условиях медленного охлаждения третичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 76). Эти выделения уменьшают пластические свойства стали, особенно способность к холодной штамповке[5].

См. также

Примечания

  1. ↑ Кузьмин, 1971, с. 91.
  2. ↑ Циммерман, 1982, с. 31.
  3. ↑ Циммерман, 1982, с. 33.
  4. 1 2 Кузьмин, 1971, с. 93.
  5. 1 2 3 Кузьмин, 1971, с. 95.
  6. ↑ Кузьмин, 1971, с. 92.

Литература

  • Кузьмин Б. А., Самохоцкий А. И., Кузнецова Т. Н. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. — Москва: Высшая школа, 1971. — 352 с.
  • Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. — Справ. издание. Пер. с нем.. — Москва: Металлургия, 1982. — 480 с.

Диаграмма состояний железо-углерод — Студопедия

Наличие двух высокоуглеродистых фаз (графита и цементита) приводит к появлению двух диаграмм состояний: метастабильной – железо-цементит и стабильной – железо-графит. Свободная энергия цементита всегда больше, чем свободная энергия графита.

Кристаллические структуры цементита и аустенита близки, тогда как кристаллические структуры аустенита и графита существенно различны. По составу аустенит и цементит ближе друг к другу и составу жидкой фазы, чем аустенит и графит (аустенит содержит до 2,14 %С, цементит – 6,67 %С, графит – 100 %C. Поэтому образование цементита из жидкости или из аустенита происходит легче, работа образования зародыша, как и необходимые диффузионные изменения, меньше в случае кристаллизации цементита, чем при кристаллизации графита, несмотря на меньший выигрыш свободной энергии.

Диаграмма состояний железо-цементит приведена на рис.3.1.

Линии диаграммы: АВСВD (линия ликвидус – соответствует температурам начала кристаллизации) и AHJECF (линия солидус – соответствует температурам конца кристаллизации) характеризуют начало и конец первичной кристаллизации, происходящей при затвердевании жидкой фазы. Линии ES и PQ показывают предельную растворимость углерода соответственно в аустените и феррите. При понижении температуры растворимость уменьшается и избыток углерода выделяется в виде цементита.

Рис, 3.1. Диаграмма состояний железо-цементит (Fe – Fe3C)

Цементит, выделяющийся из жидкого сплава, принято называть первичным, из аустенита – вторичным, из феррита – третичным.


Три горизонтальные линии HJВ, ЕСF и PSK указывают на протекание трех превращений при постоянной температуре. При 1499 оС (горизонталь HJВ) происходит перитектическая реакция LB + ФН®АJ, в результате которой образуется аустенит.

При 1147 оС (горизонталь ЕСF)протекает эвтектическая реакция LС ®АС + Ц (жидкость, состав которой соответствует точке С превращается в эвтектическую смесь аустенита, состав которого соответствует точке Е, и цементита. Эта эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебурит.

При 727 оС (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция AФР +Ц(в отличие от эвтектики, образующейся из жидкости, эвтектоидная смесь получается в результате распада твердого раствора). Продукт превращения – эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. После специальной термической обработки перлит может иметь зернистое строение.


Однофазные области диаграммы Fe - Fe3C: жидкий расплав (L) – выше линии АВСD, феррит (Ф) – области ANH и GPQ, аустенит (А) – область JESGN и цементит (Ц) – при содержании 6,67 % С.

Двухфазные области диаграммы: AHB – в равновесии находится жидкий расплав и кристаллы δ -феррита, NHJ –в равновесии кристаллы δ -феррита и аустенита, JECB – в равновесии жидкий расплав и кристаллы аустенита, CDF – в равновесии жидкий расплав и кристаллы цементита, SECFK – в равновесии кристаллы аустенита и цементита, GSP –вравновесии кристаллы аустенита и α -феррита, QPSKL – в равновесии кристаллы α - феррита и цементита.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02% С, называют техническим железом.

Сплавы железа с углеродом при содержании углерода от 0,02 до 2,14% носят название сталей (от 0,02 до 0,8% – доэвтектоидные стали, от 0,8 до 2,14 % – заэвтектоидные стали).

Сплавы железа с углеродом , содержащие от 2,14 до 6,67 % С называются чугунами (от 2,14 до 4,3 % С – доэвтектические, от 4,3 до 6,67 % С – заэвтектические чугуны).

В двухфазных областях в любой точке можно определить коли­чество фаз и их концентрацию, используя правило отрезков. Например, определим химический состав и количество фаз для сплава системы железо-цементит в точке а, находящейся в области GSP (рис.3.2).

Рис.3.2. Использование правила отрезков для анализа диаграммы

В этой области структурные составляющие – феррит и аустенит. Проведем горизонтальную линию через точку а до пересечения с линиями GP (точка b) и GS (точка с). Проекция точки b (b/) указывает химический состав феррита, а проекция точки с (с/) – состав аустенита. Весовое содержание аустенита а феррита

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих различное количество углерода. При анализе кристаллизации доэвтектоидной стали проведем для примера расчет числа степеней свободы по формуле с = kf +1, где с – число степеней свободы, k – количество компонентов, f – число фаз.

Кристаллизация доэвтектоидной стали, содержащей более 0,51 % С (рис. 3.3), начинается в точке 1, где в жидкой фазе зарождаются первые зерна аустенита, и заканчивается в точке 2. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус , а аустенита по линии солидус JE. Между точками 1 и 2 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – жидкость и аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита. Между точками 2 и 3 идет охлаждение аустенита. Между точками 2 и 3 число степеней свободы с = 2 – 1 + 1 = 2 (два компонента – железо и углерод, одна фаза – аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. В интервале от точки 3 до точки 4 происходит превращение: аустенит ® низкоуглеродистый феррит. При этом аустенит обогащается углеродом в соответствии с линией GS и в точке 4 концентрация углерода в нем достигает эвтектоидной – 0,8% С. Между точками 3 и 4 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – аустенит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. При постоянной температуре 727 °С (площадка 4-4') происходит эвтектоидное превращение AФР +Ц – аустенита в мелкодисперсную смесь феррита и цементита, называемую перлитом. В точке 4 число степеней свободы с = 2 – 3 + 1 = 0 (два компонента – железо и углерод, три фазы – аустенит, феррит и цементит), что подтверждает выделение перлита при постоянной температуре. При дальнейшем охлаждении до точки 5 происходит выделение из феррита избыточного углерода (в связи с понижением растворимости по линии диаграммы PQ) в виде третичного цементита. Между точками 4 и 5 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – феррит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. Конечная структура Ф + П +ЦIII (феррито-перлитная).

Количественное соотношение между ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода (чем выше со­держание углерода, тем больше перлита).

Кристаллизация зазвтектоидных сталей (рис.3.4) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава аустенита и заканчивается в точке 2. Состав жидкого расплава изменяется по линии , а аустенита – по линии JE. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита. При дальнейшем охлаждении от точки 2 до точки 3 структурных превращений сталь не претерпевает, идет простое охлаждение. В интервале точек 3-4 происходит выделение вторичного цементита в связи с уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. При медленном охлаждении цементит выделяется по границе аустенитных зерен. Составаустенита изменяется согласно линии ES и в точке 4 при температуре 727 °С аустенит содержит 0,8% С. На линии SK (на кривой – площадка 4-4') происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. При дальнейшем охлаждении ниже точки 4 из феррита, входящего в перлит, выделяется третичный цементит. Третичный цементит, наслаиваясь на кристаллы вторичного цементита и цементита перлита, не оказывает заметное влияние на свойства. Поэтому при рассмотрении структур заэвтектоидных сталей о третичном цементите обычно не упоминают. Конечная структура П +ЦIIIII – перлито-цементитная.

   
   
Рис.3.3. Сплав 1 (доэвтектоидная сталь) Рис.3.4. Сплав 2 (заэвтектоидная сталь)    
     
Рис.3.6. Сплав 3 (доэвтектический чугун) Рис.3.7 Сплав 4 (заэвтектический чугун)  

Доэвтектические чугуны (рис.3.5) начинают кристаллизацию в точке 1, где при последующем охлаждении происходит выделение из жидкой фазы кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которого определяется линией JE , а жидкого расплава – линией ликвидус . В точке 2 содержание углерода в расплаве достигает 4,3% и при постоянной температуре 1147 °С оставшийся расплав кристаллизуется в эвтектику (дисперсную смесь аустенита, содержащего 2,14%С, и цементита), называемой ледебуритом LCАE+Ц. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При дальнейшем охлаждении (участок 2 - 3) аналогично заэвтектоидной стали из аустенита (структурно свободного и входящего в состав ледебурита) выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита. Аустенит при этом обедняется углеродом и при температуре 727 °С приобретает состав, соответствующий эвтектоидному. В точке 3 начи­нается эвтектоидное превращение аустенита в перлит при постоянной температуре 727 °С (площадка 3-3/). Перлит образуется из структурно свободного аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита. Ледебурит, состоящий из смеси цементита и перлита, носит название видоизмененного ледебурита Лвид (П+Ц) в отличие от ледебурита состава Л (А+Ц). При дальнейшем охлаждении от точки 3/ до точки 4 происходит выделение избыточного углерода из феррита, входящего в перлит и видоизмененный ледебурит, в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита и ледебурита. Третичный цементит не влияет на свойства чугунов из-за незначительного количества, по сравнению с общим количеством цементита в чугунах. Конечный состав доэвтектического чугуна П+ЛвидII, поэтому такой чугун называют перлито-ледебурито-цементитным чугуном.

Кристаллизация заэвтектических чугунов (рис.3.6) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава первичного цементита. При этом состав расплава изменяется по линии DC. Выделяя высокоуглеродистую фазу – цементит, расплав обедняется углеродом и при температуре 1147 °С содержит 4,3% С. При постоянной температуре расплав кристаллизуется с образованием ледебурита. При дальнейшем охлаждении из аустенита, входящего в ледебурит, выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита, и состав аустенита изменяется по линии ES . При достижении температуры 727 °С аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит AФР +Ци образуется видоизмененный ледебурит. При дальнейшем охлаждении от точки 3/ до точки 4 из феррита, входящего в состав перлита видоизмененного ледебурита, выделяется избыточный углерод согласно кривой РQ в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита. Конечная структура заэвтектического чугуна ЛвидIII носит название ледебуритно-цементитного чугуна.

Таким образом, у всех сталей, содержащих менее 2,14% С, в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита, а после затвердевания не содержится хрупкой структурной составляющей - ледебурита; у всех чугунов, содержащих более 2,14% С, структура первичной кристаллизации состоит из ледебурита с первичным аустенитом или це-ментитом, а при комнатной температуре структура состоит из видоизме-ненного ледебурита, цементита и, у доэвтектического чугуна, перлита.

Стали при высоком нагреве имеют аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью, поэтому они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах.

Чугуны обладают лучшими литейными свойствами, в том числе более низкой температурой плавления и имеют меньшую усадку.

Объясненная фазовая диаграмма

железо-углерод [с графиками]

Легированные металлы могут существовать в разных фазах. Фазы являются физически однородными состояниями сплава. Фаза имеет точный химический состав - определенное расположение и связь между атомами.

Эта структура атомов придает различные свойства различным фазам. Мы можем выбрать нужный этап и использовать его в наших приложениях.

Только несколько специальных сплавов могут существовать в нескольких фазах. Нагрев металла до определенных температур с использованием процедур термообработки приводит к различным фазам.Некоторые специальные сплавы могут существовать в более чем одной фазе при одной и той же температуре.

Что такое фазовые диаграммы?

Фазовые диаграммы являются графическим представлением фаз, присутствующих в сплаве при различных условиях температуры, давления или химического состава .

Диаграмма описывает подходящие условия для двух или более фаз, которые существуют в равновесии. Например, фазовая диаграмма воды описывает точку (тройную точку), где вода может сосуществовать в трех разных фазах одновременно.Это происходит чуть выше температуры замерзания (0,01 ° C) и 0,006 атм.

Использование диаграмм

Существует четыре основных варианта использования фазовых диаграмм сплавов:

  • Разработка новых сплавов на основе требований к применению.
  • Производство этих сплавов.
  • Разработка и контроль соответствующих процедур термообработки для улучшения химических, физических и механических свойств этих новых сплавов.
  • Устранение неполадок, возникающих при применении этих новых сплавов, что в конечном итоге повышает предсказуемость продукта.

Когда дело доходит до разработки сплавов, фазовые диаграммы помогли предотвратить чрезмерный дизайн для приложений. Это снижает стоимость и время обработки. Они также помогают разрабатывать альтернативные сплавы или такие же сплавы с альтернативными легирующими элементами. Это может помочь уменьшить необходимость использования дефицитных, опасных или дорогих легирующих элементов.

Фазовые диаграммы с точки зрения производительности помогают металлургам понять, какие фазы термодинамически стабильны, метастабильны или нестабильны в долгосрочной перспективе.Затем можно выбрать подходящие элементы для легирования, чтобы предотвратить поломку оборудования. Например, материал для выхлопной трубы, если он выбран неправильно, может привести к поломке при более высоких температурах.

Срок службы также улучшается, поскольку фазовые диаграммы показывают, как решить такие проблемы, как межкристаллитная коррозия, горячая коррозия и повреждение водородом.

Диаграмма состояния железоуглерода

Phase diagram of steel and cast iron Phase diagram of steel and cast iron

Диаграмма состояния железоуглерода широко используется для понимания различных фаз стали и чугуна.И сталь, и чугун представляют собой смесь железа и углерода. Также оба сплава содержат небольшое количество микроэлементов.

График довольно сложный, но так как мы ограничиваем наше исследование Fe3C, мы сосредоточим внимание только на 6,67 массовых процентах углерода.

Эта фазовая диаграмма углерод-железо представлена ​​с указанием весовых концентраций углерода на оси X и шкалы температур на оси Y.

Объяснение структур кристаллов железа
Видео, описывающее различные структуры железа и углерода

Углерод в железе является примесью внедрения.Сплав может образовывать гранецентрированную кубическую (FCC) решетку или объемноцентрированную кубическую (BCC) решетку. Он будет образовывать твердый раствор с α, γ и δ-фазами железа.

Типы черных сплавов на фазовой диаграмме

Массовая процентная шкала на оси X на фазовой диаграмме углерода в железе изменяется от 0% до 6,67% углерода. До максимального содержания углерода 0,008% по весу углерода этот металл просто называют железом или чистым железом. Он существует в форме α-феррита при комнатной температуре.


Вам нравятся новые инженерные технологии? Воспользуйтесь нашим БЕСПЛАТНЫМ инструментом, чтобы получить мгновенных котировок для изготовления металла онлайн .

Подробнее или Попробуйте сейчас


С содержанием углерода от 0,008 до 2,14% железоуглеродистый сплав называется сталью. В пределах этого диапазона существуют различные марки стали, известные как низкоуглеродистая сталь (или мягкая сталь), среднеуглеродистая сталь и высокоуглеродистая сталь.

Когда содержание углерода превышает 2,14%, мы достигаем стадии чугуна. Чугун очень твердый, но его хрупкость сильно ограничивает его применение и методы формования.

Границы

На диаграмме под заголовком A1, A2, A3, A4 и ACM можно увидеть несколько линий.А в их названии обозначает слово «арест». Когда температура металла увеличивается или уменьшается, фазовое изменение происходит на этих границах, когда температура достигает значения на границе.

Обычно при нагреве сплава его температура увеличивается. Но вдоль этих линий (A1, A2, A3, A4 и ACM) нагрев приводит к перераспределению структуры в другую фазу, и, таким образом, температура перестает расти, пока фаза полностью не изменится. Это известно как тепловой арест, поскольку температура остается постоянной.

Элементы из легированной стали, такие как никель, марганец, хром и молибден, влияют на положение этих границ на фазовой диаграмме. Границы могут сдвигаться в любом направлении в зависимости от используемого элемента. Например, на фазовой диаграмме углерод-железо добавление никеля снижает границу A3, а добавление хрома повышает ее.

Эвтектическая точка

Эвтектическая точка - это точка, где встречаются несколько фаз. Для диаграммы железоуглеродистого сплава точка эвтектики - это то место, где встречаются линии А1, А3 и АСМ.Формирование этих точек является случайным.

В этих точках происходят эвтектические реакции, когда жидкая фаза замерзает в смесь двух твердых фаз. Это происходит при охлаждении жидкого сплава эвтектического состава вплоть до его эвтектической температуры.

Сплавы, образованные в этой точке, известны как эвтектические сплавы. С левой и правой стороны этой точки сплавы известны как гипоэвтектические и гиперэвтектические сплавы соответственно («Гипо» в переводе с греческого означает «меньше», «гипер» означает «больше»).

Фазовые поля

Границы, пересекающие друг друга, отмечают определенные области на диаграмме Fe3C.

В каждом регионе могут существовать разные фазы или две фазы. На границе происходит изменение фазы. Эти области являются фазовыми полями.

Они указывают фазы, присутствующие для определенного состава и температуры сплава. Давайте узнаем немного о различных фазах железоуглеродистого сплава.

Различные фазы

α-феррит

Существующий при низких температурах и низком содержании углерода, α-феррит представляет собой твердый раствор углерода в ОЦК Fe.Эта фаза стабильна при комнатной температуре. На графике это можно увидеть как полоску на левом краю с осью Y на левой стороне и A2 справа. Эта фаза магнитная ниже 768 ° C.

Максимальное содержание углерода составляет 0,022%, и он превращается в γ-аустенит при 912 ° C, как показано на графике.

γ-аустенит

Эта фаза представляет собой твердый раствор углерода в FCC Fe с максимальной растворимостью 2,14% C. При дальнейшем нагревании она превращается в δ-феррит ОЦК при 1395 ° C. γ-аустенит нестабилен при температурах ниже температуры эвтектики (727 ° C), если не охладится быстро.Эта фаза немагнитная.

δ-феррит

Эта фаза имеет структуру, аналогичную структуре α-феррита, но существует только при высоких температурах. Этап можно увидеть в верхнем левом углу графика. Он имеет температуру плавления 1538 ° C.

Fe3C или цементит

Цементит является метастабильной фазой этого сплава с фиксированным составом Fe3C. При комнатной температуре он очень медленно разлагается на железо и углерод (графит).

Это время разложения длительное и займет гораздо больше времени, чем срок службы приложения при комнатной температуре.Некоторые другие факторы (например, высокие температуры и добавление некоторых легирующих элементов) могут влиять на это разложение, поскольку они способствуют образованию графита.

Цементит твердый и хрупкий, что делает его пригодным для упрочнения сталей. Его механические свойства являются функцией его микроструктуры, которая зависит от того, как он смешан с ферритом.

Жидкий раствор Fe-C

Помеченный на диаграмме как "L", его можно увидеть в верхней части диаграммы. Как следует из названия, это жидкий раствор углерода в железе.Поскольку мы знаем, что δ-феррит плавится при 1538 ° C, очевидно, что температура плавления железа уменьшается с увеличением содержания углерода.

Железоуглеродистые сплавы - Металлургия

Описывает железоуглеродистые сплавы железа, влияние скорости охлаждения на их прочность; Пластичность и кристаллография

Кристаллические формы

В четырех аллотропных формах железо принимает две разные кристаллические договоренности. 1) Гамма Железо 13108/img_metalurgy_10.jpg + гранецентрированная кубическая решетка 2) Альфа; Бета; и Delta Iron 13108/img_mewtalurgy_11.jpg + Телоцентрированная кубическая решетка 3) Примечания а) Вышеуказанные основные кубические образования идут для создания кристаллов железа.Различные образования объясняют, почему происходит сжатие, когда альфа-железо нагревается, превращаясь в гамма-железо. Это несмотря на нормальное тепловое расширение. б) В каждом отдельном кристалле ось кубов указывает одинаково, но в разных кристаллах ось, вероятно, будет в другом направлении. Этот эффект известен как «Ориентация».

Плоскости расщепления - границы кристаллов

1) В кристаллах правильное кубическое расположение атомов приводит к образованию плоскостей, параллельных трем осям куба или диаметрально вдоль тех атомов, которые легче всего скользят друг над другом.Эти планы известны как «Планы расщепления» и являются источником слабости. 2) На границах кристалла всегда есть запасные атомы, которые не вписываются в регулярное расположение космической решетки. Это потому, что не всегда есть точное количество атомов, доступных для завершения кубической договоренности. Эти запасные атомы фактически образуют границы кристалла. то есть расположение атомов вдоль границ кристалла нерегулярно. ДЛЯ ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ И ЕДИНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ 3) Вышесказанное означает, что вдоль границ кристалла нет плоскостей расщепления, и поэтому границы не разделяются так легко.Они на самом деле сильнее, чем сами кристаллы. Это объясняет, почему переломы происходят наиболее легко вдоль плоскостей расщепления. т.е. через кристаллы, а не вдоль границ. Таким образом, чем меньше кристаллы, тем прочнее материал, так как есть больше границ, которые необходимо преодолеть. 4) Если присутствуют примеси, чистый металл откажется от них и любых других посторонних атомов в процессе охлаждения. Затем они могут образовывать слой или пленку, отделяющую один кристалл исходного материала от другого. Заключение Для чистого металла или сплава прочность в основном является прочностью границ кристалла. Для чистого металла или однородного твердого раствора эти границы более прочны, чем кристаллы. Если, однако, эти границы содержат примеси или другие хрупкие компоненты, разрушение может произойти вдоль них.

Параметры стальной решетки

Аустенит 3.6 Немагнитный Феррит 2.86 Магнитный Мартенит (1,4% C), тетрагональный 2.84 Магнитный 3.04

Закалка мартенсита

13108/img_metalurgy_17.jpg + Троостит и сорбит, полученные с помощью темперирования, не совпадают с теми, которые получены при медленном охлаждении из аустенита. Все вышеперечисленные продукты показывают маленькие сферы из карбида вместо пластинчатых структур из перлита и т. Д. Ударопрочность закаленных сфероидальных структур лучше, чем у пластинчатых продуктов медленного охлаждения. ,
Диаграмма состояния железоуглерода (обзор), см. Callister Chapter 9

Транскрипция

1 Диаграмма состояния железоуглерода (обзор), см. Callister, Глава 9 Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 1

University of Tennessee, Dept.

2 Фазовая диаграмма железо карбид железа (Fe Fe 3 C) В своей простейшей форме стали представляют собой сплавы железа (Fe) и углерода (C).Фазовая диаграмма Fe-C является довольно сложной, но мы рассмотрим только стальную часть диаграммы, примерно до 7% углерода. Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 2

The Fe-C phase diagram is a fairly complex one, but we will only consider the

3 фазы в Fe Fe 3 C Диаграмма состояния α-феррит - твердый раствор C в BCC Fe Стабильная форма железа при комнатной температуре. Максимальная растворимость C составляет мас.%. Превращается в FCC γ-аустенит при 912 C. Γ-Аустенит - твердый раствор C в FCC Fe. Максимальная растворимость C составляет 2.14 мас.%. Превращается в δ-феррит ОЦК при 1395 ° С. Не стабилен ниже температуры эвтектики (727 С), если быстро не охладится (Глава 10) Твердый раствор δ-феррита С в ОЦК Fe. Та же структура, что и у -феррита Стабильно только при высоких Т, выше 1394 ° C плавится при 1538 ° C Fe 3 C (карбид железа или цементит) Это интерметаллическое соединение метастабильно, оно остается в виде соединения неопределенно долго при комнатной температуре, но разлагается (очень медленно, в течение нескольких лет) на α-fe и C (графит ) в жидком растворе C Fe-C Университет Теннесси, департаментМатериаловедение и инженерия 3

Transforms to BCC δ-ferrite at 1395 C Is not stable below the eutectic temperature (727 C) unless cooled rapidly (Chapter 10) δ-ferrite solid solution of C in BCC Fe The same structure as α-ferrite

4 Несколько комментариев к Fe Fe 3 C system C - это промежуточная примесь в Fe. Он образует твердый раствор с α, γ, δ-фазами железа. Максимальная растворимость в α-феррите ОЦК ограничена (макс.% Масс. При 727 ° C) - BCC имеет относительно небольшие промежуточные положения. Максимальная растворимость в аустените FCC составляет 2,14% мас. При 1147 ° C. - FCC имеет большие промежуточные позиции. Механические свойства: Цементит очень твердый и хрупкий - может укреплять стали.Механические свойства также зависят от микроструктуры, то есть от того, как смешаны феррит и цементит. Магнитные свойства: α -феррит является магнитным при температуре ниже 768 С, аустенит является немагнитной классификацией. Три типа черных сплавов: Железо: менее чем мас.% C в α-феррите при комнатной температуре T Стали: мас.% C (обычно <1 мас.%) Α-феррит + Fe 3 C при комнатной температуре (глава 12) Чугун: мас.% (обычно <4,5 мас.%) Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 4

14 wt% at 1147 C - FCC has larger interstitial positions Mechanical properties: Cementite is very hard and brittle - can strengthen steels.

5 Эвтектические и эвтектоидные реакции в Fe Fe 3 C Эвтектика: 4.30 мас.% C, 1147 CL γ + Fe 3 C Эвтектоид: 0,76 мас.% C, 727 C γ (0,76 мас.% C) α (0,022 мас.% C) + Fe 3 C Эвтектические и эвтектоидные реакции очень важны при тепловой обработке Университет сталей штата Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 5

022 wt% C) + Fe 3 C Eutectic and eutectoid reactions are very important in

6 Развитие микроструктуры в железоуглеродистых сплавах Микроструктура зависит от состава (содержания углерода) и термической обработки.В обсуждении ниже мы рассмотрим медленное охлаждение, при котором поддерживается равновесие. Микроструктура эвтектоидной стали (I) Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 6

In the discussion below we consider slow cooling in which equilibrium is

7 Микроструктура эвтектоидной стали (II) При медленном охлаждении сплава эвтектоидного состава (0,76 мас.% C) образуется перлит, пластинчатая или слоистая структура из двух фаз: α-феррита и цементита (Fe 3 C). Слои чередующихся слоев. фазы в перлите образуются по той же причине, что и слоистая структура эвтектических структур: перераспределение атомов C между ферритами (0.022 мас.%) И цементит (6,7 мас.%) Методом атомной диффузии. Механически перлит обладает свойствами, промежуточными по отношению к мягкому, пластичному ферриту и твердому хрупкому цементиту. На микрофотографии темные области представляют собой слои Fe 3 C, светлая фаза - α-феррит, Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 7

pearlite are formed for the same reason as layered structure of eutectic structures: redistribution C atoms between ferrite (0.022 wt%) and cementite (6.

8 Микроструктура гипоэвтектоидной стали (I) Композиции слева от эвтектоидного (мас.% С) гипоэвтектоидного (менее чем эвтектоидно-греческого) сплава.γ α + γ α + Fe 3 C Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 8

76 wt % C) hypoeutectoid (less than eutectoid -Greek)

9 Микроструктура гипоэвтектоидной стали (II) Гипоэвтектоидные сплавы содержат проэвтектоидный феррит (образованный выше температуры эвтектоида) плюс эвтектоидный перлит, содержащий эвтектоидный феррит и цементит. Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 9

temperature) plus the eutectoid perlite that contain eutectoid

10 Микроструктура гиперэвтектоидной стали (I) Составы справа от эвтектоидного (мас.% С) гиперэвтектоидного (более чем эвтектоидно-греческого) сплава.γ γ + Fe 3 C α + Fe 3 C Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 10

14 wt % C) hypereutectoid (more than eutectoid -Greek) alloys.

11 Микроструктура гиперэвтектоидной стали (II) Гиперэвтектоидные сплавы содержат проэвтектоидный цементит (образованный выше температуры эвтектоида) плюс перлит, который содержит эвтектоидный феррит и цементит. Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 11

temperature) plus perlite that contain eutectoid ferrite and

12 Как рассчитать относительные количества проэвтектоидной фазы (α или Fe 3 C) и перлита? Применение правила рычага с линией связи, которая простирается от состава эвтектоида (0.76 мас.% С) до границы α (α + Fe 3 C) (0,022 мас.% C) для гипоэвтектоидных сплавов и до границы (α + Fe 3 C) Fe 3 C (6,7 мас.% C) для гиперэвтектоидных сплавов. Доля α-фазы определяется путем применения правила рычага Университета через Теннесси, все поле фазы (α Материалов + Fe Наука и техника 3 C): 12

76 wt% C) to α (α + Fe 3 C) boundary (0.022 wt% C) for hypoeutectoid alloys and to (α + Fe 3 C) Fe 3 C boundary (6.

13 Пример для гиперэвтектоидного сплава с составом C 1 Фракция перлита: W P = X / (V + X) = (6.7 C 1) / () Фракция проэвтектоидного цементита: W Fe3C = V / (V + X) = (C) / () Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 13

76) Fraction of proeutectoid cementite: W Fe3C = V / (V+X) = (C 1 0.

14 Фазовые превращения Fe-C (обзор), см. Callister Глава 10 Университет Теннесси, Департамент материаловедения и инженерии 14

University of Tennessee, Dept.

15 Фазовые превращения.Кинетика. Фазовые превращения (изменение микроструктуры) можно разделить на три категории: диффузионно-зависимые без изменения фазового состава или количества присутствующих фаз (например, плавление, затвердевание чистого металла, аллотропные превращения, рекристаллизация и т. Д.) Диффузионно-зависимые с изменения в фазовом составе и / или количестве фаз (например, эвтектоидные превращения) Бездиффузионное фазовое превращение - создает метастабильную фазу за счет кооперативных небольших смещений всех атомов в структуре (например,грамм. мартенситное превращение обсуждается далее в этой главе. Фазовые превращения не происходят мгновенно. Диффузионно-зависимые фазовые превращения могут быть довольно медленными, и конечная структура часто зависит от скорости охлаждения / нагрева. Нам необходимо рассмотреть зависимость от времени или кинетику фазовых превращений. Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 15

) Diffusion-dependent with changes in phase compositions and/or number of phases (e.g. eutectoid transformations) Diffusionless phase transformation - produces a metastable phase by cooperative small displacements of all atoms in structure (e.

16 Кинетика фазовых превращений Большинство фазовых превращений связано с изменением состава, требуется перераспределение атомов посредством диффузии.Процесс фазового превращения включает в себя: Зарождение новой фазы - образование стабильных мелких частиц (ядер) новой фазы. Ядра часто образуются на границах зерен и других дефектах. Рост новой фазы за счет первоначальной фазы. n y = 1 exp (kt) Кривая S-формы уравнения Аврами: процент трансформированного материала относительно логарифма времени. Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 16

Nuclei are often formed at grain boundaries and other defects. Growth of new phase at the expense of the original phase.

17 Перегрев / переохлаждение При пересечении фазовой границы по составу и температуре фазовая диаграмма вызывает фазовый переход к равновесному состоянию.Но переход к равновесной структуре требует времени, а трансформация задерживается. Во время охлаждения превращения происходят при температурах, меньших, чем предсказывает фазовая диаграмма: переохлаждение. Во время нагревания превращения происходят при температурах, превышающих прогнозируемые фазовой диаграммой: перегрев. Степень переохлаждения / перегрева увеличивается со скоростью охлаждения / нагрева. Метастабильные состояния могут образовываться в результате быстрого изменения температуры. Микроструктура сильно зависит от скорости охлаждения.Ниже мы рассмотрим влияние времени на фазовые превращения на примере железоуглеродистого сплава. Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 17

During heating, transformations occur at temperatures greater than predicted by phase diagram: superheating. Degree of supercooling/superheating increases with rate of cooling/heating.

18 Давайте рассмотрим эвтектоидную реакцию в качестве примера эвтектоидной реакции: γ (0,76 мас.% C) α (0,022 мас.% C) + Fe 3 C S-образные кривые смещены в более длинное время при более высокой T, показывая, что трансформация преобладает за счет зародышеобразования (скорость зародышеобразования увеличивается при переохлаждении), а не за счет диффузии (что происходит быстрее при более высоких Т).Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 18

transformation is dominated by nucleation (nucleation rate increases with supercooling) and not by

19 Диаграммы изотермического превращения (или TTT) (преобразование температуры, времени и%) Университета Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 19

Transformation) University of

20 TTT Диаграммы Аустенит (стабильный) Температура эвтектоида α феррит Грубый перлит Fe 3 C Мелкий перлит Трансформация аустенита в перлит Обозначает, что происходит превращение Толщина слоев феррита и цементита в перлите составляет ~ 8: 1.Абсолютная толщина слоя зависит от температуры превращения. Чем выше температура, тем толще слои. Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 20

layers in pearlite is ~ 8:1. The absolute layer thickness depends on the temperature of the transformation.

21 Диаграммы TTT Семейство S-образных кривых при различных T используется для построения диаграмм TTT. Диаграммы ТТТ предназначены для изотермических (постоянных Т) превращений (материал быстро охлаждается до заданной температуры до того, как произойдет преобразование, а затем сохраняет его при этой температуре).При низких температурах превращение происходит быстрее (оно контролируется скоростью нуклеации), и рост зерна (который контролируется диффузией) уменьшается. Медленная диффузия при низких температурах приводит к мелкозернистой микроструктуре с тонкослойной структурой перлита (мелкий перлит). При более высоких температурах высокие скорости диффузии обеспечивают больший рост зерна и образование толстой слоистой структуры перлита (грубого перлита). При составах, отличных от эвтектоидов, проэвтектоидная фаза (феррит или цементит) сосуществует с перлитом.Дополнительные кривые для преобразования проэвтектоидов должны быть включены в диаграммы ТТТ. Университет Теннесси, Департамент материаловедения и инженерии 21

22 Формирование микроструктуры бейнита (I) Если температура превращения достаточно низкая (540 ° С), то бейнит, а не мелкие перлитные формы. Университет Теннесси, Кафедра материаловедения и инженерии 22

23 Формирование микроструктуры бейнита (II) Для T ~ C верхний бейнит состоит из иголок феррита, разделенных длинными частицами цементита. Для T ~ C нижний бейнит состоит из тонких пластин феррита, содержащего очень тонкие стержни или лопасти цементита. В области бейнита скорость превращения контролируется скорее ростом (диффузией) микроструктуры, чем зародышеобразованием.Поскольку диффузия медленная при низких температурах, эта фаза имеет очень тонкую (микроскопическую) микроструктуру. Перлитные и бейнитные превращения конкурентоспособны; Преобразование между перлитом и бейнитом невозможно без предварительного подогрева с образованием аустенита. Верхний бейнит. Нижний бейнит. Университет материаловедения и инженерии.грамм. 24 ч при 700 ° С) приводит к образованию новой микроструктуры сфероидита - сферы цементита в ферритовой матрице. При этом преобразовании состав или относительные количества феррита и цементита не меняются, меняется только форма включений цементита. Преобразование происходит за счет диффузии C, требуется высокая температура T. Движущая сила для преобразования - уменьшение общей границы феррита - цементита Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 24

25 Мартенсит (I) Мартенсит образуется при быстром охлаждении аустенита ( гасили) в комнату Т.Он образуется почти мгновенно, когда достигается требуемая низкая температура. Аустенит-мартенсит не включает диффузию, термическая активация не требуется, это называется атермальным превращением. Каждый атом смещается на небольшое (субатомное) расстояние, чтобы преобразовать FCC γ-fe (аустенит) в мартенсит, имеющий элементарную ячейку с центрированием тела (BCT) (например, BCC, но одна ось элементарной ячейки длиннее двух других). Мартенсит метастабилен - может сохраняться в течение неопределенного времени при комнатной температуре, но при отжиге при повышенной температуре превратится в равновесные фазы.Мартенсит может сосуществовать с другими фазами и / или микроструктурами в системе Fe-C Поскольку мартенсит является метастабильной неравновесной фазой, он не появляется на фазовой диаграмме фазы Fe-C Университет Теннесси, Департамент материаловедения и инженерии 25

26 Мартенситное превращение включает в себя внезапную переориентацию атомов C и Fe из твердого раствора FCC γ-fe (аустенит) в твердоцентрированный тетрагональный (BCT) твердый раствор (мартенсит).Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 26

27 Диаграмма TTT, включая мартенсит A: аустенит P: перлит B: бейнит M: мартенсит Аустенит-мартенсит является диффузионным и очень быстрым. Количество образующегося мартенсита зависит только от температуры. Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 27

28 Микроструктура времени и температуры пути Университет Теннесси, кафедраМатериаловедение и инжиниринг 28

29 Механическое поведение сплавов Fe-C (I) Цементит тверже и более хрупок, чем феррит - фракция, увеличивающая цементит, делает твердый, менее пластичный материал. Университет Теннесси, Кафедра материаловедения и инженерии 29

30 Механическое поведение сплавов Fe-C (II) Прочность и твердость различных микроструктур обратно пропорциональна размеру микроструктур (тонкие структуры имеют больше межфазных границ, препятствующих движение дислокации).Механические свойства бейнита, перлита, сфероидита. Учитывая микроструктуру, мы можем предсказать, что сфероидит является самым мягким. Тонкий перлит тяжелее и прочнее, чем грубый перлит. Бейнит тяжелее и прочнее, чем перлит. Механические свойства мартенсита. Сильнейший и хрупкий Сила мартенсита не связана с микроструктурой. Скорее, это связано с внедренными атомами C, препятствующими движению дислокаций (упрочнение твердого раствора, глава 7), и с небольшим числом систем скольжения.Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 30

31 Механическое поведение сплавов Fe-C (III) Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 31

32 Закаленный мартенсит (I) Мартенсит настолько хрупок, что это должно быть изменено для практического применения. Это делается путем нагревания до o C в течение некоторого времени (отпуск), что приводит к получению закаленного мартенсита, чрезвычайно мелкозернистого и хорошо диспергированного цементитного зерна в ферритовой матрице.Закаленный мартенсит менее твердый / прочный по сравнению с обычным мартенситом, но обладает повышенной пластичностью (ферритовая фаза пластична). Механические свойства зависят от размера частиц цементита: меньше, более крупные частицы означают меньшую граничную площадь и более мягкий, более пластичный материал - конечный предел - сфероидит. Размер частиц увеличивается с более высокой температурой отпуска и / или более длительным временем (больше диффузии С) - поэтому более мягкий, более пластичный материал. Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 32

33 Закаленный мартенсит (II) Более высокая температура и время: сфероидит (мягкий) Электронная микрофотография закаленного мартенсита Университет Теннесси, кафедраМатериаловедение и инженерия 33

34 Краткое изложение аустенитных превращений Аустенит Медленное охлаждение Быстрое охлаждение Умеренное охлаждение Перлит (α + Fe 3 C) + проэвтектоидная фаза Бейнит (α + Fe 3 C) мартенсит (фаза BCT) Разогреть закаленный мартенсит (α + Fe 3 C) Сплошные линии - диффузионные превращения, пунктир - бездиффузионное мартенситное превращение Университет Теннесси, кафедра материаловедения и инженерии 34

,

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *