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 L_B + Ф_Н®А_J, в результате которой образуется аустенит.

При 1147 ^оС (горизонталь ЕСF)протекает эвтектическая реакция L_С ®А_С + 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 A → Ф_Р +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 = k – f +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 BС, 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 A → Ф_Р +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 +Ц_III (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 BС, 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 +Ц_II +Ц_III – 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 BС. 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 L_C →А_E+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 Л_вид (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+Л_вид+Ц_II, 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 A → Ф_Р +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 Л_вид +Ц_I +Ц_II 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

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 гранецентрированная кубическая решетка 2) Альфа; Бета; и Delta Iron 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

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. ,