Диаграмма состояния железо углерод сплавов: Страница не найдена — HeatTreatment.ru — оборудование и технологии термообработки металлов

alexxlab | 05.10.1989 | 0 | Разное

Диаграмма состояния системы железо – углерод (Fe-C) :: Диаграммы сплавов

 Начало изучения диаграммы состояния системы железо – углерод связано с открытием критических точек в стали Д. К. Черновым в 1868 г.

Для точки A приняты значения 0,16% (по массе), или 0,74% (ат.), для точки В — значения 0,51% (по массе), или 2,33% (ат.). По данным термического анализа , линия ликвидус δ-фазы АВ — почти прямая, точке В соответствует 2,47% (ат.), предельная растворимость углерода в δ-Feсоставляет 0,5 % (эт.). Температура перитектической горизонтали равна 1496±2°С, точке 1 отвечает 0,18 % (но массе), или 0,83 % (эт.). Предельная растворимость углерода в γ-Fe при 1147°С составляет 2,14% (по массе), или 9,2% (ат.) ; при 1150°С 2,02% (по массе), или 8,7 % (ат.). Возможно, цементит испытывает инконгруэнтное разложение при 1250—1300° С. Температура эвтектической горизонтали ECF принята равной 1147°С, эвтектике (точке С) соответствует 4,30%

(по массе), или 17,28 % (ат.) С .

Превращение у↔а (A₃, кривая GS), исследованное многими авторами, также подтверждено последующими работами. Кристаллическая структура. Феррит имеет о. ц. к. структуру a-Fe. Период решетки a-Feравен 0,2862 им при 20 °С и линейно возрастает до 0,2899 нм при 910 °С . При 769 °С (точка Кюри) ферромагнитное a-Feпереходит в «немагнитное α-Fe» (точнее, в упорядоченное антиферромагнитное β-Fe) . Вследствие малой растворимости углерода в a-Fe[0,02 % (по массе)] период решетки  Тk-феррита практически такие же, как и чистого a-Fe. Атомы углерода в феррите занимают преимущественно октапоры. Выше 1392 °С γ-Fe превращается в парамагнитную δ-фазу, существующую при 1392—1536 °С. Период решетки о. ц. к. δ-Fe равен 0,2925 нм при 1392 °С и линейно растет до 0,2935 нм при 1536 °С . Температурная зависимость периода решетки для α-(β-) и γ-Fe различны. Период решетки δ-феррита с повышением температуры увеличивается сильнее, чем α (β)-фазы и, по-видимому, растет с увеличением содержания углерода. Карбид Fe ₇C₃ получен только при высоких давлениях. Он имеет гексагональную структуру типа Сr

7С₃. Периоды решетки а=0,6882 нм, с= 0,4540 нм. Установлено существование метастабильного карбида Fe₂C

 

 

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

В методическом руководстве к лабораторной работе приведены теоретические сведения о диаграмме состояния сплавов железа с углеродом, фазовых и структурных превращениях в сталях и чугунах при их кристаллизации и охлаждении в твердом состоянии.

Выполнение этой работы способствует более глубокому усвоению теоретического материала по курсам «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов».

Составители: Черных В.М., ст.преподаватель

Рецензент

© СФ УГНТУ, 2002

3

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить фазовые и структурные превращения по диаграмме

Fe – Fe₃C в равновесном состоянии.

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Диаграмма состояния – графическое изображение состояния сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры. Диаграмма состояния показывает равновесные, устойчивые состояния, т.е. такие, которые при данных условиях обладают минимальной свободной энергией.

Исследование любого сплава начинается с построения и анализа диаграммы состояния соответствующей системы, так как диаграмма состояния дает возможность изучать фазы и структурные составляющие сплава.

Пользуясь диаграммой состояния, можно установить возможность проведения термической обработки, термического упрочнения и параметры их режима, температурные режимы литья и пластической деформации.

Сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) являются наиболее распространенными металлическими материалами и составляют примерно 95% от всех применяемых металлических материалов. Сталь – основа современной техники. Чугун наиболее распространенный литейный сплав и основной исходный материал для выплавки стали. Техническое железо – с минимальным содержанием углерода и других примесей – производят в небольших количествах для нужд электротехники.

Первое представление о диаграмме состояния железо-углерод дал русский металлург Д.К. Чернов, который в 1868 году указал на существование в стали критических точек, их зависимость от содержания в ней углерода и впервые указал на полиморфизм железа.

Диаграмма состояния сплавов Fe – Fe₃C охватывает не все сплавы от 0 до 100% углерода, а только часть их с содержанием углерода от 0 до 6,67% или с содержанием цементита Fe₃C от 0 до 100%. Железоуглеродистые сплавы с более высоким содержанием углерода практического применения не имеют, так как они очень хрупкие.

4

Диаграмма состояния Fe – Fe₃C по сравнению с основными типами диаграмм состояния двойных сплавов является более сложной.

Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, являются железо и углерод.

ЧИСТОЕ ЖЕЛЕЗО – серебристо-светлый металл, атомный номер26, атомный вес 55,85. Технически чистое железо содержит 0,10…0,15% всех примесей. Наиболее чистое железо, полученное в лабораторных условиях, содержало 99,9917% Fe. Свойства железа зависят от степени его чистоты. Для технически чистого железа температура плавления равна 1539°С ± 5 °С, плотность 7,85 г/см³. Железо обладает невысокой твердостью и прочностью HB ~ 80; σ_В ≈ 250 МПа; σ_0,2 ≈ 120 МПа и хорошей пластичностью δ ≈ 50 %; ψ ≈ 80 %.

При нагреве железо испытывает аллотропические превращения. До 911°С железо имеет кубическую объемноцентрированную решетку (ОЦК) (К8), его обозначают

Fe_α. При 911°С происходит превращение кубической объемноцентрированной решетки в кубическую гранецентрированную решетку (К12), в температурном интервале 911 … 1392°С железо обозначают Fe_γ. При 1392°С вновь происходит перестройка г.ц.к. решетки в о.ц.к., которую обозначают Fe_α или Fe_δ; она сохраняется до температуры плавления. При 768°С на кривой нагрева железа появляется перегиб, соответствующий изменению магнитный свойств железа (точка Кюри для железа). До 768°С Fe_α ферромагнитно, выше 768°С Fe_α парамагнитно. Пока не было установлено, что магнитные превращения не связаны с аллотропией, немагнитное Fe_α обозначали как модификацию Fe_β, существовавшую от 768 до 911°С.

УГЛЕРОД в природе встречается в виде двух модификаций в форме алмаза, имеющего сложную кубическую решетку, и в форме графита, имеющего простую гексагональную решетку. Плотность графита 2,25 г/см³. В отличие от других материалов прочность графита увеличивается при повышении температуры: при 20°С σ_В ≈ 20 МПа; : при 2500°С σ_В ≈ 40 МПа; что выше прочности всех тугоплавких металлов при данной температуре. При нагреве до 3650°С сублимация (возгонка) графита – превращение в газообразное состояние, минуя жидкое состояние.

В результате взаимодействия железа с углеродом образуются следующие четыре фазы.

5

ФЕРРИТ (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_α. Обозначается Fe_α(С). Растворимость углерода в Fe_α очень низкая. Максимальная растворимость достигает 0,02% при 727°С. При комнатной температуре растворяется меньше 0,006% углерода.

Поры в решетке Fe_α гораздо меньше размеров атома углерода (диаметр атома углерода 0,154 нм), по-видимому углерод находится в дефектах решетки. Название фазы «феррит» связано с ее феррамагнитными свойствами. Выше 1392°С высокотемпературный δ–феррит [Fe_δ(C)] имеет предельную растворимость углерода 0,1% при 1499°С. Твердость и механические свойства феррита близки к свойствам технически чистого железа; они зависят от количества легирующих элементов, присутствующих в нем (многие металлы и неметаллы образуют с ферритом твердые растворы замещения). Феррит Fe_α(C) с 0,006% С при температуре 20°С имеет σ_В ≈ 250 МПа; σ_0,2 ≈ 120 МПа; δ ≈ 50 %; ψ ≈ 80 % HB 80 … 90 (800 … 900 МПа), т.е. феррит мягок и пластичен.

АУСТЕНИТ (А) – твердый раствор внедрения углерода в

Fe_γ. Его обозначают Fe_γ(С). Фаза имеет название в честь английского ученого Р.Аустена. Углерод занимает пору в центре г.ц.к. ячейки. Максимальная растворимость углерода в Fe_γ 2,14% при 1147°С, а при 727°С – всего лишь 0,8%. Аустенит – парамагнитен, вязок, весьма пластичен (δ = 40 … 50%), имеет низкую прочность и твердость, НВ ~ 170 … 220 (1700 … 2200 МПа). Легирующие элементы растворяющиеся в аустените могут значительно изменить его свойства, а также температурные границы его существования.

ЦЕМЕНТИТ (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (Fe₃C – карбид железа), образующееся при содержании углерода 6,67% (цементит имеет сложную орторомбическую решетку, в элементарной ячейке которой находятся 12 атомов железа и 4 атома углерода). Температура плавления цементита 1250°С. Цементит имеет очень высокую твердость (

НВ – 800 (8000 МПа), хрупкий. До 217°С обладает слабыми феррамагнитными свойствами. По условиям образования различают цементит первичный (Ц_I), вторичный (Ц_II), третичный (Ц_III).

ЖИДКИЙ РАСТВОР (ЖР) – хорошо перемешанные атомы железа и углерода. Жидкое железо хорошо растворяет углерод, образуя одно­родную жидкую фазу с неограниченной растворимостью компонентов.

6

Из этих фаз при определенной температуре и концентрации углерода могут образоваться двухфазовые структуры.

ПЕРЛИТ (П) – это механическая или эвтектоидная смесь феррита и цементита вторичного. Образуется при охлаждении из аустенита с содержанием углерода 0,8% от 727°С. Название перлит эвтектоид получил за блеск на полированном и протравленном шлифе, напоминающий блеск перламутра. Твердость пластинчатого перлита НВ 200 … 250 (2000 … 2500 МПа) а зернистого перлита 160 … 220 (1600 … 2200 МПа).

ЛЕДЕБУРИТ (Л) – это механическая или эвтектическая смесь аустенита и цементита первичного. Ледебурит образуется при охлаждении из жидкого раствора с содержанием углерода 4,3% от 1147°С. При дальнейшем охлаждении ниже 727°С аустенит, входящий в ледебурит, превращается в перлит. Эвтектика названа в честь немецкого ученого Ледебура. Ледебурит отличается большой твердостью (НВ 600 … 700 или 6000 … 7000 МПа) и хрупкостью.

На диаграмме Fe–Fe₃C можно выделить две области по содержанию углерода: стали – с содержанием углерода от 0 до 2,14% и чугуны – с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% (рис. 1).

Рассмотрим фазовые превращения при охлаждении сплавов с различным содержанием углерода (см. рис. 1). Для упрощения допускаем, что фазовые превращения начинаются на соответствующих линиях, в действительности происходят ниже, так как запас свободной энергии новой и старой фаз на соответствующих линиях одинаков. Однако чтобы происходило фазовое превращение, необходим меньший запас свободной энергии новой фазы, чем старой, что достигается переохлаждением сплава ниже соответствующей линии. Метастабильную диаграмму состояния Fe–Fe₃C рассматриваем от высоких температур расплавленного раствора до комнатной (20°С).

Линия ABCD – линия ликвидус, от которой начинается процесс кристаллизации и выше которой сплавы находятся в жидком состоянии. Линия AHJECF – линия солидус, на которой заканчивается процесс кристаллизации. Ниже линии солидус все сплавы находятся в твердом состоянии.

В сплавах, содержащих до 0,1% углерода (до точки Н, см. рис. 1), при охлаждении происходит кристаллизация Fe_δ(C) с последующим превращением его в аустенит. В сплавах, содержащих 0,1 … 0,5% углерода (до точки В, см. рис. 1), образование аустенита происходит по линии HJB при 1499°С.

7

Таким образом все сплавы, содержащие до 2,14% углерода, после окончания кристаллизации жидкого раствора имеют структуру аустенита.

Сплавы, с содержанием углерода меньше 0,02%, расположены левее точки P и представляют собой технически чистое железо. После кристаллизации аустенита при его охлаждении до точки на линии GS в сплаве никаких фазовых превращений не происходит: аустенит просто охлаждается. На линии GS начинается перестройка решетки аустенита (г.ц.к.) в решетку феррита (о.ц.к.) с изменением содержания углерода в обоих твердых растворах: по мере охлаждения состав аустенита изменяется по линии GS, а состав феррита – по линии GP. Состав сплавов и количество фаз для сплавов системы Fe–Fe₃C определяют и рассчитывают по правилу отрезков. В точке А₁ на линии GP вторичное превращение заканчивается и до точки на линии PQ происходит охлаждение образовавшегося феррита. Ниже линии OP сплавы находятся в области двухфазного состояния Ф+Ц. Линия PQ (см. рис. 1) – линия переменной растворимости углерода в решетке феррита от 0,02 до 0,006%. Этот избыточный углерод образует с железом химическое соединение Fe₃C, т.е. Ц_III (цементит третичный, в отличие от цементита вторичного Ц_II). При обычном охлаждении Ц_III выделяется главным образом внутри зерен в виде очень дисперсных включений, увеличивая прочность феррита. Если охлаждение проводить медленно, то Ц_III будет выделяться по границам зерен феррита.

Рассмотрим первичные и вторичные превращения в сталях, т.е. в сплавах с содержанием углерода от 0,02 до 2,14%.

Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом (содержание углерода до 2,14%, точка Е, рис.1), заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита. В структуре таких сплавов отсутствует эвтектика (ледебурит), благодаря чему они обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном состоянии.

По структуре углеродистые стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Кривая охлаждения сплава I (см. рис. 1) типична для всех сплавов, содержащих от 0,02 до 0,8% углерода, разница – только в температурах критических точек. От точки 0 до точки 1 (рис. 2, а) никаких превращений в жидком растворе не происходит. В точке на линии ВС (см. рис. 1 и рис. 2, а) начинается кристаллизация аустенита и в точке на линии JE заканчивается. При этом состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса BC, а состав аустенита – по линии солидус JE.

10

Выше точки Ac₃ на линии GS доэвтектоидная сталь имеет структуру аустенита. Ниже точки Ar₃ на линии GS в доэвтектоидных сталях начинаются вторичные превращения, т.е. превращения в твердом состоянии (см. рис. 1 и рис. 2, в). При медленном охлаждении Ar₃ начинается распад аустенита с выделением феррита, который протекает до точки Ar₁ на линии PSK.

Вследствие выделения из аустенита феррита концентрация углерода в аустените непрерывно возрастает (между точками Ar₃ и Ar₁) и при достижении точки Ar₁ концентрация углерода в аустените становится равной 0,8%, т.е. эвтектоидной состав аустенита изменяется по линии GS, состав феррита по линии GP (см. рис. 1). В точке Ar₁ при 727°С происходит второй этап – эвтектоидно-перлитный распад аустенита с концентрацией углерода 0,8%, т.е. . Чем больше в стали углерода, т.е. чем ближе располагается сплав к точке S, тем большее время необходимо для этого превращения и в структуре сплава будет больше перлита. Структура стали ниже точки Ar₁ будет состоять из Ф+П.

Сплав II (см. рис. 1 и рис. 2, б) содержит 0,8% углерода, т.е. по составу отвечает точке эвтектоидного превращения. При его охлаждении до 727°С аустенит не испытывает никаких превращений, поэтому при температуре 727°С весь аустенит превратится в перлит по эвтектоидной реакции

При эвтектоидном превращении наблюдается восходящая диффузия. Ведущей фазой является цементит. Пластинка цементита начинает расти от границы зерна аустенита, центром кристаллизации оказывается неметаллическое включение. Соседние области обедняются углеродом и там образуется феррит, причем г.ц.к. решетка аустенита превращается в о.ц.к. решетку феррита. Повторяясь многократно, этот процесс приводит к образованию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок, цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделение цементита, тем хуже механические свойства перлита.

Сплав III (см. рис. 1 и рис. 2, г) содержит углерода больше 0,8%, но меньше 2,14%, т.е. он располагается между точками S и E. После кристаллизации заэвтектоидная сталь, как и доэвтектоидная и

11

эвтектоидная стали, имеет структуру аустенит, т.е. кристаллизация сплава III протекает также, как и сплавов I и II.

Аустенит заэвтектоидной стали содержит большее количество углерода по сравнению с эвтектоидной сталью, поэтому распад аустенита начинается с выделения фазы, богатой углерожом, т.е. цементита вторичного при температурах по линии ES. Точка Е соответствует максимальной растворимости углерода в аустените, т.е. 2,14%, а точка S – минимальной, т.е. 0,8%. Избыточный углерод по мере понижения температуры выделяется из решетки аустенита и образует с железом вторичный цементит Ц_II.

В точке Ar₁ при 727°С происходит эвтектоидное превращение по реакции (2.1). Таким образом, после окончательного охлаждения сплав будет иметь структуру П+Ц_II. По сравнению с Ц_III выделение Ц_II происходит при более высоких температурах, когда скорости диффузии велики. Поэтому Ц_II образуется по границам зерен в виде сетки. Цементит первичный, вторичный, третичный по химическим и физическим свойствам не отличаются, так как все они – карбид железа Fe₃C, отличие только в условиях образования, что влияет на размер и форму зерна цементита. При первичной кристаллизации из жидкого раствора образуется цементит первичный (Ц_I), при вторичной кристаллизации из твердого раствора аустенита образуется цементит вторичный (Ц_II), а при третичный превращениях из твердого раствора феррита выделяется цементит третичный (Ц_III).

Особенностью всех сплавов с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% является наличие в их структуре ледебурита (Л). Это чугун.

Белые чугуны делятся на доэвтектический (содержание углерода от 2,14 до 4,3%), эвтектический (содержание углерода 4,3%) и заэвтектический (содержание углерода от 4,3 до 6,67%) (см. рис. 1).

Кривая охлаждения сплава V доэвтектического белого чугуна типична для всех сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3% С, т.е. расположенных от точки Е до точки С. Кристаллизация зерен аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2 (см. рис. 1 и рис. 3, б). С понижением температуры состав аустенита изменяется по линии солидуса JE, а состав жидкой фазы – от точки 1 до точки С. Содержание углерода в оставшемся жидком растворе увеличивается с понижением температуры и при 1147°С становится равным эвтектическому, т.е. 4,3%. Жидкий раствор ЖР_4,3% С претерпевает эвтектическое превращение . При температуре между линиями ECF и PSK сплав имеет структуру А + Л(А + Ц_I) + Ц_II. Вторичные

12

превращения в доэвтектическом белом чугуне на I этапе связаны с уменьшением растворимости углерода в аустените по мере снижения температуры по линии ES, из аустенита выделяется цементит вторичный (Ц_II). При 727°С аустенит достигает эвтектоидной концентрации с содержанием углерода 0,8% и далее на II этапе происходит эвтектоидное превращение . Структура доэвтектического белого чугуна будет П + Л(П + Ц_I) + Ц_II. Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита.

Эвтектический белый чугун (сплав IV, см. рис. 1 и рис. 3, а), имеющий концентрацию углерода 4,3%, кристаллизуется при постоянной температуре 1147°С в точке С (в интервале точек I – I’ (см. рис. 3, а) с образованием ледебурита Л (А + Ц_I). Эвтектическая реакция образования ледебурита идет по всей линии ECF.

Вторичные превращения в сплаве (превращения в твердом состоянии) происходят в два этапа. Ш этап: между точками 1’ и 2 в процессе охлаждения сплава от 1147 до 727°С из аустенита А_2,14%С в составе ледебурита Л(А + Ц_I) выделяется цементит вторичный Ц_II, так как растворимость аустенита по мере охлаждения изменяется.

При 727°С (в точке 2, см. рис. 3, а) концентрация углерода в аустените становится равной эвтектоидной, т.е. 0,8%, и в интервале точек 2 – 2’ (см. рис. 3, а). происходит второй этап – эвтектоидное превращение аустенита А_0,8%С. Ниже 727°С структура сплава – эвтектического белого чугуна будет Л(П + Ц_I + Ц_II).

При охлаждении сплавов, содержащих углерода от 4,3 до 6,67% (сплав VI, см. рис. 1 и рис. 2, в) в точке 1 начинается кристаллизация цементита первичного Ц_I, так как жидкий раствор богат углеродом. С понижением температуры по мере кристаллизации Ц_I содержание углерода в жидком растворе уменьшается и при 1147°С (точка 2 на рис. 3, в) становится равным эвтектическому, т.е. 4,3%. Далее происходит эвтектическая кристаллизация оставшегося количества жидкого раствора ЖР_4,3%С по реакции (2.2). Ниже 1147°С (I этап, см. рис. 3, в) происходят вторичные превращения в заэвтектическом белом чугуне. При поинжении температуры (точки 2’ – 3 на рис. 3, в) из аустенита, входящего в ледебурит Л(А + Ц_I), выделяется цементит

13

вторичный Ц_II, концентрация углерода в аустените уменьшается и при 727°С достигается 0,8%, т.е. эвтектоидной концентрации. Структура белого заэвтектического чугуна на I этапе Ц_I + Л(А + Ц_II) + Ц_II.

При 727°С (точка 3 на рис. 3, в) начинается II этап – разложение аустенита А_0,8%С по реакции (2.1) на феррит и цементит вторичный Ц_II. Структура заэвтектического белого чугуна ниже 727°С будет состоять из Ц_I + Л(П + Ц_I) + Ц_II.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы Fe–Fe₃C, т.е. критические точки, обозначают буквой А (начальная буква французского слова arret – остановка). Первая критическая точка А₁ лежит на линии PSK (727°С) и соответствует превращению; А₂ – линия МО (768°С), при этой температуре происходит магнитное превращение феррита; А₃ – линия GOS, по этой линии происходит превращение , температура которого зависит от содержания углерода в стали; А₄ – линия NJ – превращение ; А_См – линия SE, начало выделения Ц_II (иногда эту точку обозначают и как А₃). Поскольку превращения совершаются при нагреве и охлаждении при различных температурах вследствие теплового гистерезиса, чтобы отличить эти процессы, ввели дополнительные обозначения. При нагреве обозначают Ас₁, Ас₃, при охлаждении – Аr₁, Аr₃ (начальные буквы от французских слов – chauffe – нагрев и refroidissement – охлаждение).

III. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Тема лабораторной работы.

2. Цель работы.

3. Краткие теоретические сведения.

4. В определенном масштабе необходимо выполнить диаграмму состояния сплавов Fe–Fe₃C и кривые охлаждения железоуглеродистых сплавов, дать пояснения происходящих при этом фазовых превращений.

14

15

16

ЛИТЕРАТУРА

1. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков А.В., Китаев Н.А., Филькин В.М., Шевченко А.А., Усов Г.А. Технология металлов и материаловедение. – М.:Металлургия, 1987. – 800с.

2. Болковитинов Н.Ф. Металловедение и термическая обработка. –М.:Машиностроение, 1965. – 503с.

3. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка. – М.:Металлургия, 1983. – 359с.

Диаграмма состояния системы железо – углерод

 

Металлические сплавы — это сложные по составу вещества на основе металлов, сохраняющие их основные свойства: высокую электро — и теплопроводность, литейные свойства, ковкость и др. Сплав может быть в жидком и твердом состоянии. В жидком состоянии существует только одна жидкая фаза, а в твердом у сплавов может быть несколько фаз в виде твердых растворов, химических соединений и механических смесей.

 

Твердые растворы состоят из двух и более компонентов, в которых атомы растворимого компонента располагаются в кристаллической решетке основного компонента, замещая его атомы, либо внедрясь в кристаллическую решетку.

 

Химические соединения могут быть в виде металлов с неметаллами (Fe₃C) или металлов с металлами (CuAl₂, CuNi). Они обладают конкретными физико — механическими свойствами. Например, цементит (Fe₃C) имеет высокую твердость, повышенную хрупкость и низкую электропроводность.

 

Механические смеси состоят из нескольких компонентов, которые при  затвердевании (кристаллизации) не взаимодействуют друг с другом. Каждая из фаз сохраняет свою кристаллическую решетку. Например, у сталей могут одновременно быть  смеси феррита и аустенита, или перлита и цементита. Диаграммы состояния строятся на основе кривых нагрева и охлаждения. Рассмотрим сплав (рис. 1.25) медь- никель (Cu — Ni).  Атомы Cu и Ni могут соединяться в любых пропорциях (0…100%), образуя твердый раствор, при этом атомы Ni могут замещать в кристаллической решетке Cu все атомы. По горизонтальной оси откладывается содержание компонентов в твердом растворе, а по вертикальной- температура. Точка 1083 °C показывает температуру плавления меди, а точка 1452 °C –никеля. Нижняя линия (солидус) –это граница твердого раствора. Ниже ее оба металла и смесь находятся в твердом состоянии (в кристаллическом виде). Выше верхней линии (ликвидуса) располагается область жидкого раствора обоих этих металлов и сплавов. В «чечевице», очерченной нижней и верхней линиями, лежит область смеси кристаллов и более тугоплавкового металла с капельками более легкоплавкого.

 

В правой части рисунка 1.25 находятся кривые нагрева и охлаждения смеси (в данном случае представлена 50% смесь) этих металлов. На основании таких кривых, полученных для различных смесей в интервале 0…100% и построена диаграмма состояний. На кривых нагрева и охлаждения видны горизонтальные линии: при разрушении кристаллов тепло подводится, но повышения температуры нет, т.к. это тепло расходуется на разрушение кристаллов; при кристаллизации, наоборот, выделяется тепло, поэтому температура сплава по времени не снижается.

 

Для компонентов (пример для смеси свинец –сурьма), неограниченно растворимых в жидком состоянии и совершенно нерастворимых в твердом состоянии, с образованием механической смеси (эвтектики), диаграмма представлена на рис. 1.26.

 

 На первом участке диаграммы ниже линии температур 327…243 °C кристаллизуется свинец, а далее на участке температур 243…631 °C — сурьма. В точке С кристаллизуется свинец и сурьма, и жидкость без промежуточных фаз переходит в твердое состояние. Эта смесь называется эвтектикой. До нее будет доэвтектический сплав (Рb + Э), а после заэвтектический сплав (Sb + Э). В точке С самая низкая температура плавления  (243 °C) сплава.

 

Имеется связь характера диаграмм состояний со свойствами (электропроводность, твердость, прочность и т. д.). Так для первой группы сплавов –твердых растворов, с ростом концентрации компонента (например, Ni на рис. 1.25) механические свойства (твердость., прочность) увеличиваются, а для второй группы (рис. 1.26) имеется точка экстремума, т. е. сначала механические характеристики повышаются, а далее снижаются.

 

Структурные составляющие железо — углеродистых сплавов представлены в виде твердых растворов (рис. 1. 27) (феррит и аустенит), химического соединения (цементит) и механических смесей (перлит, ледобурит.,…).

 

Феррит это твердый раствор внедрение углерода в a—железо. Он  очень мягкий и пластичный, хорошо проводит тепло и электричество, сильно магнитен. Углерода в нем очень мало (около 0,002%). В микроструктурах металла цементит имеет белый цвет. Углерод замещает центральный атом объемно — центрированной кубической решетки (a — железо) или вакансии кристаллической решетки.

 

Фазовые превращения    (рис. 1.28) происходят по мере изменения температуры. При нагреве до 768 °С a — железо теряет свои магнитные свойства, но кристаллическая решетка не меняется.

 

При 898 °С – эта решетка превращается в гранецентрированную кубическую решетку, называемую   g — железом. Аустенит это твердый раствор внедрения углерода в y –железо. Он не магнитен, сравнительно мягкий, углерода содержится в нем максимально до 2%.

 

При 1401 °С  g — железо превращается в s — железо с объемно — центрированной решеткой, существующей до температуры плавления железа   (1539 °С).

 

Цементит — это химическое соединение (карбид железа Fe₃C), содержащее 6,67% углерода  и имеющее высокую твердость и хрупкость, плохо проводящее электрический ток и тепло. Цементная сетка является светлой на микроструктурах сплава. Цементит является неустойчивым химическим соединением и при высоких температурах происходит его распад на железо и углерод:

 

Fe₃ C ® Fe + C.

 

Ледебурит—это механическая смесь (эвтектика) , состоящая из аустенита и цементита и содержащая 4,3% углерода, образуется при температурах ниже 1147 °С, имеет высокую твердость и хрупкость.

 

Перлит – механическая смесь (эвтектоид), состоящая из тонких пластинок или зерен цементита и феррита, образуется в результате распада аустенита при температурах ниже 727 °С. Углерода в перлите 0,8%.

 

На основе кривых (рис. 1.28) охлаждения и нагрева сплавов Fe-C строится диаграмма состояний (рис.1.29) системы железо-углерод. На ней имеются линии: ликвидуса –АСД ; солидуса — AECF. Выше линии ликвидуса металл находится в жидком состоянии, а ниже линии солидуса- в твердом (кристаллическом)  состоянии. Остальные линии отражают превращения в сплавах, происходящие после затвердевания. Ниже линии солидуса, при дальнейшем снижении температуры происходят структурные изменения, т.е. перекристаллизация уже в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).

 

 В точке S аустенит распадается на твердую однородную смесь кристаллов феррита и цемента — перлит. Сплав в точке S — эвтектоидный, при содержании углерода меньше 0,8% доэвтектоидный, а более 0,8% — заэвтектоидный. После 0,8% происходит распад аустенита с выпаданием из него вторичного цементита.

 

Точка А –это температура плавления чистого железа Fe, а точка Д — температура плавления цементита Fe₃C. Точка Е (2,14% С) делит сплав на две группы: стали и чугуны. Левее точки Е будут стали, а правее- чугуны.

 

Температура плавления стали с увеличением количества углерода С в ней снижается, а чугунов после 4,3% — увеличивается.

 

Сразу после затвердевания структура сталей состоит из аустенита, а чугунов из смесей: аустенит + ледебурит ; цементит + ледебурит.

 

При охлаждении доэвтектоидных сталей  (С < 0,8%, т.е. левее точки S) аустенит распадается, из него выделяется феррит.

 

В эвтектоидной точке С будет механическая смесь кристаллов аустенита и цементита — ледебурит. Правее точки С выделяется цементит. Сплавы чугунов левее точки С — доэвтектоидные, правее — заэвтектоидные.

 

Белые чугуны (белый оттенок на изломе). состоят из ледебурита и цементита Они твердые, хрупкие, трудно механически обрабатываются. Используются для передела в сталь.

 

Если углерод в сплаве находится в свободном состоянии, т.е. в виде графита, то это серые чугуны.

 

Диаграмма железо — углерод имеет большое практическое значение для инженеров. По ней можно определить температуру плавления и затвердевания сталей и чугунов, интервалы температур при обработке сталей давлением (ковка, штамповка,…) и  термической обработке (закалка, отпуск,…), т.е.. она нужна металлургу, кузнецу и термисту.

2. Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные типы сплавов.

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

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

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

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

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

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод.

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

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

Железо с углеродом могут образовывать одно- и двухфазные системы.

К однофазным системам железоуглеродистых сплавов относятся:

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

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

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

– графит – кристаллическая разновидность углерода.

Двухфазными системами железоуглеродистых сплавов являются:

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 7.3. Диаграмма состояния Fe–Fe₃C

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

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

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

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

Диаграмма состояния железо-цементит – Осварке.Нет

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. Начало изучению железоуглеродистых сплавов и процессов термической обработки было положено опубликованной в 1868 г. работой Д.К. Чернова «Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные исследования Д.К. Чернова по этому же предмету». Д.К. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и дал первое представление о диаграмме железо-цементит. В дальнейшем изучению железоуглеродистых сплавов и построению диаграмм железо-углерод были посвящены работы Ф. Осмонда, Ле-Шателье (Франция), Р. Аустена (Англия), А.А. Байкова и Н.Т. Гудцова (Россия), Розенбаума (Голландия), П. Геренса (Германия) и др.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Основными компонентами, от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. Чистое железо – металл серебристо-белого цвета; температура плавления 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации: α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 911°С и выше 1392°С; γ-железо – при 911-1392°С.

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие.

1. Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость – 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; φ=80%).
2. Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% – при 727°С. Эта температура является нижней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пластичен (δ=40-50%).
3.  Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ~800), хрупок и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe3C→3Fe+C.
4. Графит – это свободный углерод, мягок (НВ 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.
5. Перлит (П) – механическая смесь (эвтектоид, т. е. подобный эвтектике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σв=800 МПа; относительное удлинение δ=15%; твердость НВ 160. Перлит образуется следующим образом. Пластинка (глобуль) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неметаллическое включение. При этом соседние области обедняются углеродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образованию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.
6. Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727°С ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь перлита с цементитом.

Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды – соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые структурные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при большом содержании фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5-0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна.

Диаграмма состояния железо – цементит

В диаграмме состояния железо – цементит (Fe-Fe3C) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их структурах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной температуры. Диаграмма (рис. 1) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% – чугуном.

Диаграмма состояния Fe-Fe3C представлена в упрощенном виде. Первичная кристаллизация, т. е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539° плавления (затвердевания) железа, точка D – температуре ~1600°С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса AECF соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD – цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147°С и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику – ледебурит. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14-4,3% С – аустенита, а в интервале 4,3-6,67% С – цементита первичного (см. рис. 1).

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14%, т. е. в сталях, образуется однофазная структура – аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т. е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Рис. 1. Диаграмма состояния железо-цементит (в упрощенном виде):
А – аустенит, П – перлит, Л – ледебурит, Ф – феррит, Ц – цементит

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и GPQ. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую (γ в α) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита.

В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линий GS, и цементита, называемого вторичным, при температурах, соответствующих линии SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделяющегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до температур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре.

В точке S при содержании 0,8% углерода и температуре 727°С весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита – перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной (рис. 2, б). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода, называют доэвтектоидными (рис. 2, а ) , а от 0,8 до 2,14% углерода – заэвтектоидными (рис. 2, в).

При температурах, соответствующих линии PSK, происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения.

При температурах, соответствующих линии SE, аустенит насыщен углеродом, и при понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного).

Вертикаль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химический состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что существенно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристаллизации из жидкости.

Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 20). Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода – заэвтектическими.
По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит+цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем меньше в нем перлита и больше ледебурита.

Белый эвтектический чугун (4,3% углерода) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, содержащий более 4,3% углерода, после окончательного охлаждения состоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит превращается в перлит, т. е. ледебурит при комнатной температуре представляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости.

Диаграмма состояния железо-цементит имеет большое практическое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов термической обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.

Рис. 2. Микроструктура:
а – доэвтектоидная сталь – феррит (светлые участки) и перлит (темные участки) при 500х увеличении, б – эвтектоидная сталь – перлит (1000х), в – заэвтектоидная сталь – перлит и цементит в виде сетки (200х)

 

Рис. 3. Микроструктура белого чугуна при 500х увеличении:
а- доэвтектический чугун – перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), б – эвтектический чугун – ледебурит (смесь перлита и цементита), в – заэвтектический чугун – цементит (светлые пластины) и ледебурит

 

Система железо-углерод – Справочник химика 21

    Диаграмма состояния системы железо — углерод [c.414]     Добавка к Ре, Со, N1 даже в небольших количествах других элементов приводит к значительному изменению механических и физико-химических свойств этих металлов. Причем на свойства сплавов оказывает сильное влияние термическая и механическая обработка. Кратко рассмотрим эти закономерности на примере наиболее важной системы железо — углерод. [c.557]

    Диаграмма состояния системы железо — углерод. В 1868 г. Д. К. Чернов впервые указал на существование определенных температур ( критических точек ), зависящих от содержания углерода в стали и характеризующих превращения одной микроструктуры стали в другую. Этим было положено начало изучению диаграммы состояния Ге—С, а 1868 г. стал годом возникновения металловедения — науки о строении и свойствах металлов и сплавов. Позже Ф. Осмонд уточнил значения критических точек и описал характер микроструктурных изменений, наблюдаемых при переходе через эти точки. Он дал названия важнейшим структурам железоуглеродистых сплавов эти названия употребляются до сих пор. [c.617]

    Какие превращения происходят в системе железо—углерод при затвердевании расплава и последующем охлаждении  [c.53]

    На рис. 3.124 представлена диаграмма состояния системы железо — углерод. Твердые фазы и их смеси в этой системе имеют специальные названия. [c.558]

    Изменения фазового состава и структуры железоуглеродистых сплавов, то есть системы железо—углерод в зависимости от температуры при различном содержании компонентов в ней представлены на упрощенной (не учитывающей существование р – и 5-форм железа) диаграмме состояния этой системы (рис. 3.1). Буквенные [c.40]

    Хорошо известная диаграмма равновесия системы железо— углерод исключительно сложна. Она позволяет судить о том, как широк диапазон режимов термообработки и закалки. Сплавы цветных металлов имеют несколько иную кристаллическую структуру, поэтому для них используют ограниченный диапазон режимов термической обработки. Некоторые сплавы меди, алюминия и никеля можно подвергать различным методам термообработки. [c.316]

    Кратко рассмотрим закономерности изменения свойств металла на примере наиболее важной системы железо – углерод. [c.531]

    Превращения при образовании твердых растворов в системе железо — углерод имеют огромное значение в производстве углеродистых сталей. [c.199]

    Твердые растворы часто образуются металлами только на небольшом протяжении диаграмм плавкости, т. е. два компонента в твердом состоянии смешиваются между собой не во всех отношениях (ограниченные твердые растворы). Если при этом кривые температуры начала кристаллизации пересекаются ниже температур плавления обоих компонентов, то получается кривая плавкости. Такая кривая изучена для системы железо — углерод [c.226]

    Расплавы железо — углерод. Изучение строения расплавов системы железо — углерод представляет интерес как для выяснения характера межатомного взаимодействия в этой системе, так и для понимания процессов, происходящих при производстве промышленных сплавов на основе железа. [c.195]

    Исключительное по важности значение в металлохимии самого железа имеют взаимодействия в системе железо — углерод, поскольку сплавы железа с углеродом составляют основу черной металлургии. При карботермическом восстановлении железа из оксидных руд (доменный процесс) образуется не чистое железо, а чугун. Особенности взаимодействия в системе Fe—С наглядно отражаются диаграммой состояния (рис. 61). Геометрический строй диаграммы со стороны железа определяется тремя полиморфными модификациями a-Fe, 7-Fe и б-Fe, поскольку переход aT не связан с наличием тепловых эффектов и не отражается на диаграмме. Углерод в железе образует твердые растворы внедрения, области которых на диаграмме обозначены как а, 7, б. Самая большая растворимость углерода — в y-Fe. Этот твердый раствор называется аустенитом. Области твердых растворов углерода в а- и б-Fe, называемые -и б-фер-ритами, значительно меньше. [c.413]

    Представление о формировании структуры и фазовых превращениях, протекающих в чугуне при охлаждении и нагревании можно составить ио диаграмме состояния системы железо — цементит и железо — графит (см. рис. 1), а также по диаграмме состояния системы железо — углерод — кремний (рнс. 52). [c.120]

    Процессы закалки и отпуска можно понять, если рассмотреть фазы, образующиеся в системе железо—углерод. Углерод растворим в гамма-железе, причем такая форма устойчива выше 912 °С. Если сталь закалить от температуры, превышающей эту, то образуется твердый раствор углерода в гамма-железе. Такой материал называется мартенситом-, он обладает очень высокой твердостью и хрупкостью. По твердости и хрупкости его можно сравнить с высокоуглеродистой сталью. При комнатной температуре мартенсит неустойчив, однако при этой температуре скорость его превращения в более устойчивые формы настолько мала, что таким процессом можно пренебречь закаленная сталь, содержащая мартенсит, сохраняет свою твердость до тех пор, пока снова не подвергнется нагреванию. [c.552]

    Диаграмма состояния системы железо—углерод, дающая представление о строении железоуглеродных сплавов, имеет очень большое значение. С ее помощью можно объяснить зависимость свойств сталей и чугунов от содержания в них углерода и от термической обработки. Она служит основой при выборе железоуглеродных сплавов, обладающих теми пли иными заданными свойствами. На рис. 32.2 приведена часть диаграммы состояния системы Fe—С, отвечающая содержанию углерода от О до 6,67%, или, что то же самое, от чистого железа до карбида РезС. Это самая важная часть диаграммы, поскольку практическое применение имеют сплавы железа, содержащие не более 5% углерода. [c.619]

    Система железо – углерод. Наиб, изучена важнейшая для практики часть системы фазовых состояний Fe- с содержанием С от О до 6,7% по массе (см. рис.). В этой [c.132]

    Изучаемые в этом разделе диаграммы, которые часто для сокращения называют просто диаграммами состояния двойных систем и даже просто диаграммами систем, имеют характерные особенности, основанные на термодинамических данных, и потому наиболее достоверны . Многие из них имеют первостепенное значение для техники, например диаграмма состояния системы железо — углерод, являющаяся теоретической основой технологии и металлургии железа и его сплавов, (чугун, сталь). [c.40]

    При заданных температуре и давлении определенному относительному содержанию компонентов в газовой фазе, выражаемому величинами г, соответствует определенный состав твердой фазы. В рассматриваемом температурном интервале последняя может представлять собой феррит (твердый раствор углерода в а-железе объемноцентрированная кубическая решетка) или аустенит (твердый раствор углерода в -железе гранецентрированная кубическая решетка). Часть диаграммы состояния системы железо — углерод при содержании до 2 вес. % углерода приведена на рис. 93. Для линии GP на этом рисунке, отвечающей равновесию между ферритом и аустенитом, масштаб по оси абсцисс увеличен в 10 раз по сравнению [c.258]

    Применение к системе железо — углерод [c.439]

    ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО—УГЛЕРОД — диаграмма, описывающая равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и т-ры. По ней судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения микроструктуры в результате тер.чической обработки, определяющей эксплуатационные св-ва сплавов. В системе железо — углерод образуются фазы (структурные составляющие) жидкий раствор углерода в железе феррит — твердый раствор углерода в альфа- или дельта-железе с объемноцентрированной кубической решеткой аустенит — твердый раствор углерода в гамма-железе с гра- [c.355]

    Большое значение в метал лургии имеет диаграмма состояния системы железо—углерод, дающая возможность сознательно намечать пути исследований для создания различных сортов сталей и чугуна. Начало исследованиям системы железо—углерод было положено работами Н. П. Аносова 1831 —1841 гг. и Д. К- Чернова 1868—1869 гг., которые устано-мнлн, что сталь и чугун обладают кристаллической структурой. В качестве убедительного доказательства кристаллической структуры стали Чернов приводил мелкие и крупные разветвленные [фисталлическпе образования— дендриты, находимые в медленно охлажденных стальных слитках.  [c.414]

    Расплавы, содержащие от О до 1,75% углерода, после быстрого охлаждения приблизительно до 1150 С, представляют собой однородный твердый раствор—аустенит. Из этих сплавов получается сталь. При содержании углерода более 1,75% после охлаждения до 1150°С, кроме твердого аустенита, имеется еще жидкая эвтектика, которая кристаллизуется при этой температуре, заполняя тонкой смесью кристаллов пространство между кристаллами аустенита. Получающиеся при этом твердые системы представляют собой чугун. Эвтектика может кристаллизоваться двумя способами. При быстром охлаждении затвердевшая эвтектика состоит из кристаллов аустенита и неустойчивых кристаллов Fea , называемых чвл(е тито.и. При медленном охлаждении образуется смесь кристаллов аустенита и устойчивого графита. Температуры кристаллизации этих двух эвтектик и их составы неодинаковы. Устойчивой эвтектике отвечает точка С, а неустойчивой—точка С. Таким образом, система железо—углерод дает, в сущности говоря, две диаграммы состояния. Общий вид их одинаков, но они лишь частично накладываются одна на другую. Сплошными линиями принято изображать диаграмму, получаемую при участии неустойчивого цементита, Линии диаграммы железо—графит, не совпадающие с соответствующими линиями диаграммы железо—цементит, даются пунктиром. Чугун, содержащий цементит, называется белым, а содержащий графит—серым. При средней скорости охла-Ждения возможно одновременное образование обоих типов—такой чугун называется половинчатым. [c.415]

    Диаграмма состояния системы железо — углерод, дающая представление о строении железоуглеродных сплавов, имеет очень большое значение. С ее помощью молзависимость свойств сталей и чугунов от содерлтермической обработки. Она служит основой при выборе железоуглеродных сплавов, обладающих теми или иными заданными свойствами. Ниже (рис. 168) приведена часгь диаграммы состояния системы Ре — С, отвечающая концентрации углерода от О до 6,67%, или, что то же самое, от чистого железа до карбида Ре С. [c.674]

    Особенности контактного плавления лелкоплаеких металлов изучала Л. К- Савицкая и др. [1, 2]. Ею предложено уравнение для скорости контактного плавления, которое применительно к системе железо—углерод и имеет следующий вид  [c.176]

    Довольно хорошо процессы распада твердых растворов при нагревании и охлаждении изучены в сплавах, образованных нефелином с другими силикатами и в системе железо — углерод. Рассмотрим изученную Боуэном систему нефелин (Ма2А1251208) — анортит (СаЛ1231208), изображенную на рис. 68. Из правой части диаграммы видно, что в анортите может раствориться не более 4% нефелина. При содержании в расплаве 45% анортита появляется эвтектика, образованная твердым раствором нефелина в анортите и твердым раствором анортита в нефелине. [c.198]

    Диаграммы состояния, отражающие химическую природу взаимодействия компонентов, служат в современной технике научной основой выбора сплавов для промышленности. Например, система железо — углерод, сплавы которой — стали и чугуны — являются основой черной металлургии. Диаграмма состояния системы железо — углерод (рис. 13.9) подробно изучена до 6,66 мае. /о углерода, т. е. до химического соединения цементита РезС, и представляется -обычно в виде двух диаграмм Ре—РезС (цементитная) или Ре—С (графитная). Эти диаграммы простые эвтектические. Линия ликвидуса состоит из двух ветвей, пересекающихся в точке при 4,3% углерода. [c.274]

    Диаграмма состояния системы железо — углерод дает возможность рационально классифицировать технические сплавы железа с углеродом на стали и чугуны. Сталями называются сплавы, содержащие до 1,7% углерода, т. е. такие, которые не содержат эвтектики у+РезС, называемой ледебуритом. Сплавы с содержанием углерода больше 1,7% называют чугунами. В них присутствует эвтектика ледебурит. [c.274]

    В гл. I была рассмотрена часть диаграммы состояния системы железо — углерод, характеризующий метастабильиое равновесие системы (железо — цементит). [c.120]

    Влияние отдельных элементов на состояние системы железо — углерод можно проследить иа примере влияния кремния, как третьего компонента сплава. Из диаграммы (рис 52) следует, что кремний уменьшает растворимость углерода в жидком и твердом растворах сдвигает линии диаграммы влево (1% снижает содержание углерода в эвтектике иа 0,3%), т. е. изменяет степень эвтектичности. Изменение эвтектичности чугуиа при изменении содержания углерода и кремния можно определить по формуле [c.121]

    Наиболее распространенным сплавом железа является углеродистая сталь. На рис. 25.6 представлена фазовая диаграмма системы железо — углерод. Для обсуждения технологии изготовления стали рассматривают лишь ту часть фазовой диаграммы, которой соответствует высокое содержание железа стали с высоким содержанием углерода не представляют большого практического интереса. Разнообразие свойств железоуглеродных сплавов определяется различной растворимостью углерода в двух кристаллических формах железа (альфа- и гамма-железе), а также образованием соединения железа с углеродом РсзС, называемого цементитом. Составу цемен- [c.449]

    Как мы уже говорили, превращения в твердом состоянии нередко происходят очень медленно, а при достаточно низких TeMneparypax практичёски прекращаются. Благодаря этому можно фиксировать свойство, соответствующее более высокой температурной модификации, выдерживая образец при этих температурах, а затем подвергая его быстрому охлаждению, например погружая его в воду. Этот процесс называется закалкой. Всем известно, что путем закалки можно сообщить стали большую твердость. Это происходит вследствие того, что в системе железо — углерод фазы, образующиеся при высоких температурах,. представляют собой твердые растворы и потому обладают повышенной твердостью однако эти фазы [c.52]

---

Разработка урока-конспекта на тему “Диаграмма состояния сплава железо-углерод”

План – конспект урока по дисциплине

«Материаловедение»

Цели урока:

Обучающая: сформулировать новые понятия о видах железоуглеродистых сплавов, их составляющих; объяснять фазовые превращения в железоуглеродистых сплавах при нагреве и охлаждении в соответствии с физико-химическими закономерностями

Развивающая: способствовать развитию логического мышления и умению работать с учебной литературой

Воспитывающая:

-развивать интерес к предмету «Материаловедение»;

-содействовать развитию эстетического вкуса, культуры речи.

Тип урока: урок усвоения новых знаний

Средства обучения: Дидактический материал (опорные конспекты, слайды), учебная литература

Технические средства: мультимедийный комплекс, презентация

Межпредметные связи: «Технологическое оборудование», «Технология машиностроения», «Процессы формообразования и инструменты»

Ход урока.

1. Организационный этап – 5 мин.

1.1. Мотивация (важность темы при изучении дисциплины – устно)

1.2.Предварительное определение уровня знаний обучающихся

2. Организация самостоятельной деятельности обучающихся по основным вопросам темы- 70мин.

(Учебный материал, закрепляющий материал-задание).

3. Подведение итогов учебной деятельности – 15 мин.

3.1.Проверка степени усвоения изученной информации

3.2.Оценка учебного занятия

3.3.Домашнее задание

Учебный материал:

1. Компоненты и фазы диаграммы железо-цементит

2. Диаграмма состояния железо-цементит

3. Классификация железоуглеродистых сплавов

Вопрос 1

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в десять раз.

Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.

Значение диаграммы состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств, сталей и чугунов от содержания углерода, а также определить режимы термической обработки. С помощью диаграммы можно определить температуру плавления, кристаллизации и полиморфных превращений у различных сплавов, а также тип, количество и химический состав фаз в конкретных сплавах при любой температуре.

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539^o С 5^o С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911^o С и 1392^o С. При температуре ниже 911^o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392^o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392^o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное . Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911^oС превращения обозначают точкой , а температуру 1392^o С превращения – точкой А₄.

При температуре ниже 768^o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768^o С обозначается А₂.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – , предел текучести – ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – , а относительное сужение – ). 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.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 ⁰С, плотность – 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 ⁰С).

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).

3. Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550^o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^o С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

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

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

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

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

2. Феррит (Ф) (C) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727^o С ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392^o С существует высокотемпературный феррит () ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^o С (точка J)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности –) и пластичен (относительное удлинение –), магнитен до 768^o С.

3. Аустенит (А) (С) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727^o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147^o С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – ), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит – характеристика дана выше.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). 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.

Вопрос 2

Линия АВСD – ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.

Линия AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (). На линии HJB при постоянной температуре 14990С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (), в результате чего образуется аустенит:

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147^o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.

При температуре ниже 727^o С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).

По линии HN начинается превращение феррита () в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита () в аустенит заканчивается.

По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

По линии МО при постоянной температуре 768^o С имеют место магнитные превращения.

По линии PSK при постоянной температуре 727^o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода.

Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret – остановка):

А1 – линия PSK (7270С) – превращение П А;

A2 – линия MO (7680С, т. Кюри) – магнитные превращения;

A3 – линия GOS ( переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф А;

A4 – линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение ;

Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е , при охлаждении – букву r, т.е. .

Вопрос 3

Все сплавы системы железо – цементит по структурному признаку делят на две большие группы: стали и чугуны.

Особую группу составляют сплавы с содержанием углерода менее 0,02% (точка Р), их называют техническое железо. Микроструктуры сплавов представлены Структура таких сплавов после окончания кристаллизации состоит или из зерен феррита), при содержании углерода менее 0,006 %, или из зерен феррита и кристаллов цементита третичного, расположенных по границам зерен феррита если содержание углерода от 0,006 до 0,02 %.

Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02…2,14 % углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита.

Они обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном состоянии.

Структура сталей формируется в результате перекристаллизации аустенита.

По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на доэвтектоидные , структура феррит + перлит ; эвтектоидные , структура перлит (П), перлит может быть пластинчатый или зернистый

заэвтектоидные, структура перлит + цементит вторичный (П + ЦII), цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита.

По микроструктуре сплавов можно приблизительно определить количество углерода в составе сплава, учитывая следующее: количество углерода в перлите составляет 0,8 %, в цементите – 6,67 %. Ввиду малой ратворимости углерода в феррите, принимается, что в нем углерода нет.

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14 % (до 6,67 %), заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), называют чугунами.

Наличие легкоплавкого ледебурита в структуре чугунов повышает их литейные свойства.

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами.

По количеству углерода и по структуре белые чугуны подразделяются на: доэвтектические , структура перлит + ледебурит + цементит вторичный ;

эвтектические , структура ледебурит (Л)

заэвтектические , структура ледебурит + цементит первичный (

В структуре доэвтектических белых чугунов присутствует цементит вторичный, который образуется в результате изменения состава аустенита при охлаждении (по линии ES). В структуре цементит вторичный сливается с цементитом, входящим в состав ледебурита.

Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах один и тот же, они состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо – цементит является их структура.

Закрепляющий материал-задание

К 1 вопросу лекции

Ответить на следующие вопросы

1. Какие сплавы называют чёрными сплавами?

2. Какие виды сплавов по характеру взаимодействия компонентов могут

образовывать между собой железо с углеродом?

3. Какой сплав называют сталью?

4. Какая структурная составляющая является эвтектикой?

5. К каким типам сплавов относятся структуры феррит, аустенит, ледебурит, перлит и цементит?

Твёрдые растворы

Химические соединения

Механические смеси

К 2 вопросу лекции

1. Определите по диаграмме температуру плавления чистого железа.

2. Какие параметры являются координатами диаграммы сплава?

3. Укажите линию начала первичной кристаллизации?

4. Что такое солидус?

5. Что такое ликвидус?

6. Укажите линию окончания первичной кристаллизации?

7. Какое химическое соединение образовывают железо с углеродом?

К 3 вопросу лекции

1. Какие стали называют доэвтектоидными ?

2. Какие стали называют заэвтектоидными?

Тест-задание

1. Сколько кристаллических модификаций может образовывать чистое железо:

А) пять Б) четыре В) три Г) две

2. Сплав, образующийся при температуре 727°С и содержащий 0,8% углерода, называется:

А) перлит Б) феррит В) аустенит Г) эвтектика

3. Доэвтектический белый чугун – это сплав, с содержанием углерода:

А) до 0,8% Б) от 0,8% до 2,14% В) от 2,14% до 4,3% Г) выше 4,3%

4. Что означает линия «солидус» на диаграмме фазового равновесия двойных сплавов?

1. Линию конца кристаллизации

2. Линию начала кристаллизации

3. Линия аллотропического превращения

4. Линию эвтектического превращения

5. Какие железоуглеродистые сплавы называются сталями?

1. Содержание углерода более 0,8 %

2. Содержание углерода более 4,8%

3. Содержание углерода не более 2,14%

4. Содержание углерода более 0,002%

Домашнее задание

Стр 119- 130 Учебника «Материаловедение»

Подведение итогов урока

Железо-углеродная фаза или диаграмма равновесия или диаграмма карбида железа

В этой статье мы изучим основную концепцию фазовой диаграммы железо-углерод или диаграммы равновесия. Ее также называют фазовой диаграммой карбида железа.

Давайте исследовать!

Фаза железо-углерод или диаграмма равновесия

Основы фазовой диаграммы железо-углерод

Углерод является наиболее важным элементом легирующих элементов, который заметно влияет на аллотропию и химические, а также механические свойства железа.

Железо известно как аллотропный материал, аллотропные изменения, происходящие в железе, регулируются легирующими элементами, и решающим материалом является железо, которое вызывает большинство этих изменений.

• Легированные металлы существуют в различных фазах.
• Известно, что фазы представляют собой физически однородные состояния сплава; эти сплавы имеют очень четкий химический состав.
• Эта структура атомов имеет различные свойства в разных фазах.
• Мы даже можем выбрать нужную фазу; мы можем использовать его в нашем необходимом приложении.
• Хотя только некоторые специальные сплавы могут реально существовать в различных многофазных состояниях.
• Мы можем использовать эти металлы и их сплавы в различных фазах, нагревая их до определенных температур с помощью процедур термообработки.

Пример диаграммы фазового равновесия железо-углерод

Вот почему изучение этой системы очень важно для понимания поведения стали и чугуна, а также изучения ее основных и наиболее сложных характеристик.

Эта система так или иначе влияет на сложную микроструктуру сплавов, а также изменяет их механические свойства.

Сталь имеет некоторые случайные легирующие элементы, которые меняют клеймо на этой диаграмме, но ее изменения следует выполнять осторожно, потому что для многих инженеров эта диаграмма служит ориентиром.

Что такое фаза или диаграмма равновесия?

Основы фазовой диаграммы

Скажем, например, фазы, которые мы обнаружили в простой карбидной системе, сохраняются в сложных сталях, но важно исследовать исходы, которые эти легирующие элементы имеют при зарождении.

Фазовая диаграмма железо-углерод или железо-карбид обеспечивает ценную основу и позволяет нам построить знания как об углероде, так и о стали во всем их огромном разнообразии.

Определение фазы или диаграммы равновесия

Диаграммы равновесия представляют собой графическое представление фаз, которые мы можем назвать различными химическими составами, присутствующими в сплаве при различных температурах.

• Диаграмма объясняет соответствующие условия для двух или более двух фаз, которые находятся в одном и том же равновесии.

Скажем, например, диаграмма состояния воды расскажет нам больше о точке (также известной как тройная точка), где вода сосуществует в 3 разных фазах одновременно.

Диаграмма фазового равновесия железо-углерод основы карбида железа

• Можно отметить, что эта диаграмма не является истинно диаграммой равновесия, поскольку слово «равновесие» указывает на отсутствие изменения фазы во времени. Как известно, соединение карбида железа распадается на железо и углерод, но даже такое разложение занимает несколько лет.
• Диаграмма равновесия карбида железа показывает нам метастабильные условия, можно добиться изменения равновесия при медленном нагревании и охлаждении.

Значение диаграммы равновесия железа и углерода

• В соответствии с требованиями различных применений мы можем разрабатывать новые сплавы, подвергая их обработке при различных температурах и изменяя составы углерода в них.
• Для улучшения различных свойств сплавов, таких как химические, физические и механические, мы можем разработать и контролировать соответствующие стратегии термообработки.
• Окончательное улучшение монотонности продукта за счет устранения проблем, возникающих при применении этих сплавов.

Диаграмма фазового равновесия железо-углерод карбид железа Изображение: substech

Линии критической температуры

Это температура, при которой происходят фазовые переходы при нагреве или охлаждении.

• На приведенной выше диаграмме можно увидеть различные строки с названиями A1, A2, A3 и ACM. Эти границы фактически рассматриваются как точки фазового перехода, так как при понижении и повышении температуры металла происходят фазовые переходы.
• Обычно при нагревании вещества происходит повышение температуры. Но когда мы идем по этим линиям, это приводит к изменению химического состава структуры в другую фазу, и, следовательно, прирост температуры прекращается до тех пор, пока не произойдет полное фазовое превращение. Это явление изменения фазы без повышения температуры известно как «температурный арест».
• При использовании различных легированных сталей Границы на диаграмме меняют направление, то уменьшаясь, то повышаясь.
• Скорость нагрева и охлаждения композиций оказывает определенное влияние на граничные линии. Когда скорость нагревания или охлаждения медленнее, чем две последовательные линии, они ближе друг к другу, поэтому даже при некоторой температуре будут возникать непостоянные скорости охлаждения и нагревания.

В фазовой системе для обозначения критической температуры используются определенные символы.

• Ac = остановка при охлаждении
• Ar = остановка при нагревании
• A0 = это критическая температура цементита i.е. 210°C.
• A1 = Это нижняя критическая температура, при которой происходит превращение аустенита в перлит.
• A2 = Это критическая температура (768°C) железа, при которой оно превращается в парамагнитное вещество. Она также известна как температура Кюри.
• A3 = Это граничная температура между γ-ферритом и (аустенит + феррит).
• Acm = Это граничная температура между γ-ферритом и (аустенит + цементит).
• A4 = При этой температуре α-феррит превращается в δ-феррит.

Эвтектическая точка

• Как мы видим на диаграмме равновесия, граничные линии встречаются друг с другом в некоторой точке, и эта точка известна как точка эвтектики. Возникновение этих точек совершенно случайно. В смеси двух твердых фаз жидкая фаза замерзает и так происходит эвтектическая реакция.
• Проще говоря, это самая низкая температура, при которой жидкость выходит из системы. Зародышевые сплавы, образованные в этих эвтектических точках, известны как эвтектические сплавы.
• Сплавы называются эвтектическими сплавами, образующимися в этой точке.

Микрокомпоненты на фазовой диаграмме железо-углерод

Различные фазы, возникающие на фазе железо-углерод или диаграмме равновесия, обсуждаются ниже.

Цементит или карбид железа

Чтобы сформировать цементит или карбид железа, нам нужно иметь фиксированное количество углерода и фиксированное количество углерода, и именно поэтому эта фаза известна как метастабильная фаза этого сплава.

• Содержит 6,67% углерода и представляет собой чрезвычайно твердое и хрупкое соединение с очень низкой прочностью на растяжение.
• Этот сплав разлагается на железо и углерод при комнатной температуре, но скорость разложения очень низкая. Скорость разложения этого сплава можно повысить добавлением некоторых элементов и обеспечить, например, повышение температуры.
• Этот сплав имеет самую твердую структуру на диаграмме железо-карбид железа. Это свойство подходит для различных применений, таких как упрочнение стали.Механические свойства таких сплавов зависят от того, как мы смешиваем их с ферритом.
• Он имеет сложную орторомбическую кристаллическую структуру (т. е. 12 атомов железа и 4 атома углерода в элементарной ячейке).

Диаграмма фазового равновесия железо-углерод Изображение: Google

Почему цементит считается метастабильной фазой?

Цементит/Fe ₃ C представляет собой соединение железа и углерода с массовым содержанием углерода 6,67%. Если мы будем нагревать это соединение и держать его при постоянной высокой температуре (650-700 градусов по Цельсию) в течение длительного времени, оно распадется на графит и феррит.Из-за этой кратковременной стабильности цементита он считается метастабильной фазой.

Аустенит

Аустенит представляет собой твердый раствор углерода в гранецентрированном кубе с растворимостью углерода 2,14% при 2065°F.

Фазовая диаграмма железа и углерода аустенита

Также известен как γFe.

• Когда мы нагреваем этот раствор, он превращается в феррит при температуре выше 2543°F.
• Аустенит обычно нестабилен при температурах ниже 727°C.
• Эта фаза немагнитна по своей природе и быстро меняется.
• Аустенит очень мягкий и обладает такими механическими свойствами, как пластичность и ковкость, а также является парамагнитным.
• Листы из сталей с температурой выше 1100°C обычно прокатывают, когда они находятся в аустенитном состоянии из-за их свойств пластичности и ковкости.
• Прочность на растяжение этого раствора составляет около 150000 фунтов на квадратный дюйм.

Ледебурит Ледебурит

представляет собой смесь аустенитного сплава и цементита.

• Он содержит 4,3% углерода и создается при 1129.
• Когда углерод составляет более 2%, он существует в фазе и представлен разделительной линией между двумя материалами, и эти материалы представляют собой чугун. и сталь.

Феррит Феррит

представляет собой твердый раствор, в котором небольшое количество углерода растворено в железе, имеющем объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру. Эта фаза раствора существует только при очень высоких температурах.

Диаграмма состояния железа и углерода феррит

• Этот раствор имеет температуру плавления 1538°C. Феррит является самой мягкой структурой на диаграмме железо-карбид железа.
• Феррит обладает магнитными свойствами при низких температурах, но его магнитные свойства теряются при повышении температуры и при температуре выше 786°C он становится немагнитным.
• Этот твердый раствор изображает микроструктуру феррита с мелкими зернами, каждое из которых имеет различное расположение в каждом атоме.
• α-феррит : Это твердый раствор углерода внедрения в ОЦК-железе, стабильный в диапазоне от -273 ° до 912 ° C . Максимальная растворимость углерода составляет 0,02 % по весу при 727°C.
• δ-феррит : Это твердый раствор углерода внедрения в ОЦК-железе.
• Стабильный между 1394 ° -1538 ° C . Максимальная растворимость углерода составляет 0,09 % по массе при 1538°С.

Перлит

Перлит представляет собой раствор, содержащий около 0,80% углерода, он образуется при температуре 1333°F и требует очень медленного охлаждения.Это своего рода пластинчатая смесь растворного феррита и цементита.

Тонкие пластины цементита с белой матрицей завершают структуру перлита.

• Прочность на растяжение составляет около 120000 фунтов на квадратный дюйм. Это конкретное решение точно требует фиксированного количества цементита и феррита.
• Если требуемое количество углерода меньше 0,80%, железо и углерод объединяются, образуя соединение Fe3c, пока весь углерод полностью не растворится.При необходимом количестве феррита с цементитом можно образовать раствор перлита.
• Феррит, который остается в перлите, известен как свободный феррит, и именно так образуется доэвтектоидный феррит. Стальной раствор, содержащий даже некоторое количество доэвтектоидного феррита, известен как доэвтектоидная сталь.
• В границах зерен присутствует избыток цементита. Этот избыточный цементит можно назвать проэвтектоидным цементитом.

Графит

Он имеет гексагональную структуру, в которой слои первично-связанного углерода и вторично-связанного атома углерода удерживаются вместе.

Посмотрите очень красивое видео от IIT Kanpur,

Видео диаграммы состояния железа и углерода

Механические свойства стали под воздействием углерода

• В общем, мы знаем, что механические свойства любого раствора зависят от различных фаз материалов, и эти фазы материалов перестраиваются таким образом, что составляют структуру.
• Как мы узнали ранее о двух материалах, это феррит и цементит.Эти два материала имеют относительно низкую прочность на растяжение, но разница между ними в том, что феррит по своей природе мягкий, а цементит, с другой стороны, очень твердый. Но мы можем изменить эти свойства феррита и цементита, сформировав их вместе в виде перлита. Это также даст нам преимущество высокой прочности на растяжение, которой им обоим не хватало по отдельности.
• Как мы обсуждали ранее, механические свойства можно изменить, изменив их химический состав. Мы используем это свойство на горячедеформированной стали.Для доэвтектоидных сталей количество перлита увеличивается с увеличением содержания углерода.
• При увеличении содержания углерода прочность и твердость также увеличиваются. Единственные недостатки, с которыми мы столкнулись при этом преобразовании, это снижение пластичности и ударной вязкости материала, так как мы увеличили состав углерода.
• В определенной точке выше эвтектоидного состава прочность материала падает и проявляются некоторые хрупкие свойства, но вновь увеличивается твердость по Бринеллю, и цементит твердеет.

Инвариантные реакции

В системе железо-углерод протекают три типа инвариантных реакций.

Перитектическая реакция

Это происходит при 1495 ° C. 0,09% δ-феррита реагирует с 0,53% жидкости и дает 0,17% аустенита/γ-феррита. Здесь железо ОЦК (δ-феррит) превращается в железо ГЦК (аустенит).

Во время охлаждения расплавленная сталь начинает затвердевать, и первым твердым телом, которое собирается зародиться, является δ-феррит.

При продолжении охлаждения затвердевает большее количество δ-феррита. Мы можем использовать «правило рычага» для расчета количества δ-феррита в дроби.

Реакция:      δFe + Liq –>  γ Fe

Эвтектическая реакция

Встречается при 1146 ° С. Сплав Fe-4,3% С называется эвтектическим чугуном. При охлаждении чугуна наиболее легкоплавкая жидкость распадается на две твердые фазы.

Эта смесь двух твердых фаз (аустенита и цементита) также известна как «ледебурит».

Реакция:      Liq –>  γFe + Fe ₃ C

Эвтектоидная реакция

Происходит при 727 ° С. При охлаждении аустенит становится пластинчатой ​​смесью феррита и цементита.

Эта смесь называется смесью «Перлит» из-за ее жемчужного вида под оптическим микроскопом.

Здесь 0,77 % аустенита распадается на 0,02 % α-феррита и 6,67 % цементита.

Реакция:       γFe  –>   αFe  +  Fe ₃ C

Диаграмма превращения медленно охлаждаемых сталей в железо-углерод

Гипоэвтектоидные стали

Чтобы понять термин Гипоэвтектоидная сталь, мы должны рассмотреть относительно медленное охлаждение железа-0.4% Углеродистая сталь в условиях теплового равновесия от температуры около 1600°C до комнатной температуры.

• При дальнейшем охлаждении пытается образоваться больше раствора феррита до температуры 1495°С.
• При дальнейшем охлаждении жидкий раствор превращается в твердый аустенит до тех пор, пока не будет достигнута определенная температура, и, таким образом, затвердевание завершится.

Эвтектоидные стали

Когда этот раствор охладился от 1600°C, он начал затвердевать при комнатной температуре, что непосредственно привело к образованию твердого аустенита, и в какой-то момент, когда эта структура находится в микросостоянии; имеет только зерна аустенита.

• Далее при охлаждении до эвтектоидной температуры никаких изменений в растворе не происходило.
• При 727°C дает чистый перлит, подвергшийся эвтектоидной реакции.

Преимущества железа и углерода Фазовая диаграмма:

• Чтобы понять фазовые изменения в железе и углероде вместе с его легирующими элементами, такими как сталь, для достижения состояния термического равновесия.
• Возможно достижение требуемых механических свойств с небольшими фазовыми изменениями.
• Медленное охлаждение позволяет более точно изучить поведение; кроме того, это дает нам преимущество медленного фазового превращения.
• В инженерных целях диаграмма работает как путь, по которому мы должны следовать для очень быстрого и точного достижения требуемых фаз и требуемых механических свойств.

Ограничения фазовой диаграммы железо-углерод

• Равновесные скорости охлаждения намного ниже, чем в реальных циклах термообработки; это связано с различным поведением сплавов при практическом использовании.
• Из-за этих недостатков интерпретация диаграммы при более низких температурах серьезно затруднена.

Заключение

Фаза железа-углерод или диаграмма равновесия представляет собой общее исследование железа, углерода и их сплавов и того, как они действуют в различных условиях равновесия. В этом блоге мы изучили эти аспекты диаграммы равновесия, а также зависимость фазового превращения от температурных условий.

Хотя она известна как диаграмма равновесия, температура на некоторых фазах нестабильна, поэтому ее также называют метастабильной диаграммой.Изучение микроструктуры различных растворов дает нам сведения об их химическом составе и механических свойствах.

Однако на практике материалы действуют не совсем по приведенной схеме, но разница между теоретической и практической очень мала, поэтому мы можем рассматривать эту схему как ориентир.

Дальнейшее изучение

Друзья, вы можете ознакомиться с нашими интересными статьями,

подробное объяснение фазовой диаграммы железа и углерода

 

Фазовая диаграмма железо-углерод описывает систему железо-углерод сплавов, содержащих до 6.67% углерода, раскрывает составы фаз и их превращения, происходящие со сплавами при их охлаждении или нагреве.

Содержание углерода 6,67% соответствует фиксированному составу карбида железа Fe ₃ C.

Диаграмма представлена ​​на рисунке:

углеродные сплавы:

Максимальная концентрация углерода в δ-феррите составляет 0,09% при 2719 ºF (1493ºC) – температуре перитектического превращения.

Кристаллическая структура δ-феррита – ОЦК (кубическое тело с центром).

Аустенит имеет кристаллическую структуру FCC (кубическая гранецентрированная), что обеспечивает высокую растворимость углерода – до 2,06 % при 2097 ºF (1147 ºC).

Аустенит не существует при температуре ниже 1333 ºF (723 ºC), а максимальная концентрация углерода при этой температуре составляет 0,83%.

α-феррит имеет кристаллическую структуру ОЦК и низкую растворимость углерода – до 0,025 % при 1333 ºF (723 ºC).

α-феррит существует при комнатной температуре.

Цементит – твердое и хрупкое вещество, влияющее на свойства сталей и чугунов.

Со сплавами железо-углерод происходят следующие фазовые превращения:

Сплавы, содержащие до 0,51% углерода, начинают затвердевать с образованием кристаллов δ-феррита. Содержание углерода в δ-феррите увеличивается до 0,09 % в процессе затвердевания, а при 2719 ºF (1493 ºC) оставшаяся жидкая фаза и δ-феррит совершают перитектическое превращение, в результате чего образуется аустенит.

Сплавы, содержащие углерода более 0,51%, но менее 2,06%, образуют первичные кристаллы аустенита в начале затвердевания, а при достижении температуры кривой АСМ формируются первичные цементитные звездочки.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,06% углерода, называются сталями .

Сплавы, содержащие от 2,06 до 6,67% углерода, претерпевают эвтектическое превращение при 2097 ºF (1147 ºC). Эвтектическая концентрация углерода составляет 4,3%.

На практике используются только заэвтектические сплавы.Эти сплавы (содержание углерода от 2,06% до 4,3%) называются чугунами . Когда температура сплава из этого диапазона достигает 2097 ºF (1147 ºC), он содержит первичные кристаллы аустенита и некоторое количество жидкой фазы. Последний разлагается по эвтектическому механизму до мелкодисперсной смеси аустенита и цементита, называемой ледебуритом .

Все железоуглеродистые сплавы (стали и чугуны) претерпевают эвтектоидное превращение при 1333 ºF (723 ºC). Эвтектоидная концентрация углерода равна 0.83%.

Когда температура сплава достигает 1333 ºF (733ºC), аустенит превращается в перлит (мелкая феррито-цементитная структура, образующаяся в результате распада аустенита в условиях медленного охлаждения).

Критические температуры

подробное объяснение фазовой диаграммы железо-углерод

Фазовые составы железоуглеродистых сплавов при комнатной температуре

• Чугуны (содержание углерода от 2,06% до 4.3%) состоят из доэвтектоидного цементита C ₂  , выделившегося из аустенита по кривой A _CM  , перлита и превращенного ледебурита (ледебурита, в котором аустенит превратился в перлит).

Легированные металлы могут существовать в различных фазах. Фазы – это физически однородные состояния сплава. Фаза имеет точный химический состав – определенное расположение и связи между атомами.

Эта структура атомов придает разные свойства разным фазам.Мы можем выбрать нужную фазу и использовать ее в наших приложениях.

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

Содержание скрыть

I Что такое фазовые диаграммы?

II Диаграмма фаз железо-углерод

III Различные фазы

Что такое диаграммы фаз?

Фазовые диаграммы представляют собой графическое представление фаз, присутствующих в сплаве при различных условиях температуры, давления или химического состава.

Диаграмма описывает подходящие условия для существования равновесия двух или более фаз. Например, диаграмма состояния воды описывает точку (тройную точку), в которой вода может сосуществовать в трех разных фазах одновременно. Это происходит при температуре чуть выше точки замерзания (0,01°C) и давлении 0,006 атм.

Использование диаграмм

Существуют четыре основных области применения фазовых диаграмм сплавов:

Разработка новых сплавов на основе требований применения.

Производство этих сплавов.

Разработка и контроль соответствующих процедур термической обработки для улучшения химических, физических и механических свойств этих новых сплавов.

Устранение проблем, возникающих при применении этих новых сплавов, что в конечном итоге повышает предсказуемость продукта.

Когда дело доходит до разработки сплавов, фазовые диаграммы помогают предотвратить перепроектирование для приложений. Это снижает стоимость и время обработки. Они также помогают разрабатывать альтернативные сплавы или те же сплавы с альтернативными легирующими элементами.Это может помочь снизить потребность в использовании дефицитных, опасных или дорогих легирующих элементов.

Фазовые диаграммы помогают металлургам понять, какие фазы являются термодинамически стабильными, метастабильными или нестабильными в долгосрочной перспективе. Затем можно выбрать соответствующие элементы для легирования, чтобы предотвратить поломку оборудования. Неправильный выбор материала для выхлопной трубы, например, может привести к поломке при более высоких температурах.

Срок службы также увеличивается, поскольку фазовые диаграммы показывают нам, как решать такие проблемы, как межкристаллитная коррозия, горячая коррозия и повреждение водородом.

Фазовая диаграмма железо-углерод

Фазовая диаграмма стали и чугуна

Фазовая диаграмма железо-углерод 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, поскольку мы ограничиваем наше исследование Fe3C, мы сосредоточимся только на 6,67 весовых процентах углерода.

Эта диаграмма состояния железа и углерода построена с массовыми концентрациями углерода по оси X и температурной шкалой по оси Y.

Объяснение кристаллической структуры железа Объяснение кристаллической структуры железа

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

Типы ферросплавов на фазовой диаграмме

Шкала массовых процентов по оси X фазовой диаграммы железо-углерод идет от 0% до 6,67% углерода. До максимального содержания углерода 0.008% веса углерода, металл просто называют железом или чистым железом. Он существует в форме α-феррита при комнатной температуре.

 

Железоуглеродистый сплав с содержанием углерода от 0,008% до 2,14% называется сталью. В этом диапазоне 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 формовки.

Границы

На диаграмме можно увидеть несколько линий под названиями A1, A2, A3, A4 и ACM. Буква А в их названии означает слово «арест». При повышении или понижении температуры металла на этих границах происходит фазовый переход, когда температура достигает значения на границе.

Обычно при нагреве сплава его температура повышается. Но по этим направлениям (А1, А2, А3, А4 и АСМ) нагрев приводит к перестройке структуры в другую фазу, и, таким образом, температура перестает расти до тех пор, пока фаза полностью не изменится.Это известно как термическая остановка, поскольку температура остается постоянной.

Элементы 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 железо-углерод добавление никеля снижает границу A3, а добавление хрома повышает ее.

Точка эвтектики

Точка эвтектики — это точка, где встречаются несколько фаз.Для диаграммы сплава железо-углерод точка эвтектики находится там, где пересекаются линии A1, A3 и ACM. Образование этих точек случайно.

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

Сплавы, образующиеся в этой точке, известны как эвтектические сплавы. Слева и справа от этой точки сплавы известны как доэвтектические и заэвтектические сплавы соответственно («гипо» по-гречески означает «меньше», «гипер» — больше).

Фазовые поля

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

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

Они указывают фазы, присутствующие при определенном составе и температуре сплава. Давайте немного узнаем 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 в виде полоски на левом краю с осью Y слева и A2 справа. Эта фаза является магнитной ниже 768°C.

Он имеет максимальное содержание углерода 0,022 % и превращается в γ-аустенит при 912°C, как показано на графике.

γ-аустенит

Эта фаза представляет собой твердый раствор углерода в ГЦК Fe с максимальной растворимостью 2,14% С. При дальнейшем нагреве превращается в ОЦК δ-феррит при 1395°С. γ-аустенит нестабилен при температурах ниже температуры эвтектики (727°C), если его не охладить быстро.Эта фаза немагнитна.

δ-феррит

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

Fe3C или цементит

Цементит является метастабильной фазой этого сплава с фиксированным составом Fe3C. Он чрезвычайно медленно разлагается при комнатной температуре на железо и углерод (графит).

Это длительное время разложения, и оно займет намного больше времени, чем срок службы приложения при комнатной температуре.Некоторые другие факторы (например, высокие температуры и добавление определенных 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 зависят от его микроструктуры, которая зависит от того, как он смешивается с ферритом.

Жидкий раствор Fe-C

Обозначен на диаграмме буквой «L», его можно увидеть в верхней части диаграммы. Как следует из названия, это жидкий раствор углерода в железе.Поскольку известно, что δ-феррит плавится при 1538°С, то видно, что температура плавления железа снижается с увеличением содержания углерода.

Фазовая диаграмма железо-углерод

Фазовые диаграммы являются очень важным инструментом в изучении сплавов для решения многих практических задач в металлургии. Эти диаграммы определяют области устойчивости фазы, которая может существовать в системе сплавов в условиях постоянного атмосферного давления. Для двойной системы координатами этих диаграмм являются температура и состав.Взаимоотношения между фазами, температурой и составом в системе сплава обычно представляются фазовой диаграммой только в равновесных условиях. Такие условия возникают при малых скоростях нагрева и охлаждения сплавов, когда кинетика превращений не играет существенной роли.

В своей простейшей форме железо и стали представляют собой сплавы железа (Fe) и углерода (C). Существует три типа ферросплавов. Эти сплавы состоят из (i) железа с содержанием углерода менее 0.0,008 % при комнатной температуре, (ii) стали с содержанием углерода в диапазоне от 0,008 % до 2,14 % (обычно менее 1 %) и имеющие микроструктуру, состоящую из феррита и цементита), и (iii) чугун с содержанием углерода в диапазоне от 2,14 % до 6,7 % (обычно менее 4,5 %). Изучение состава и структуры железа и стали начинается с фазовой диаграммы железо-углерод (Fe-C) (рис. 1). Фазовая диаграмма Fe-C также используется в качестве основы для понимания процессов термообработки.

подробное объяснение фазовой диаграммы железо-углерод

Многие из основных свойств системы Fe-C влияют на поведение даже самых сложных сплавов железа и сталей.Например, фазы, обнаруженные в простой бинарной системе Fe-C, сохраняются в сложных сталях, но необходимо изучить влияние легирующих элементов на формирование и свойства этих фаз. Диаграмма Fe-C представляет собой ценную основу, на которой можно построить знания как о простых углеродистых, так и о легированных сталях.

Рис. 1 Фазовая диаграмма железа и углерода

C — примесь внедрения в Fe. Он образует твердый раствор с альфа-, гамма- и дельта-фазами железа. Максимальная растворимость C в альфа-железе равна 0.025% при 727°C. Объемно-центрированное кубическое (ОЦК) железо имеет относительно небольшие промежуточные положения. Максимальная растворимость C в гранецентрированном кубическом (ГЦК) гамма-железе составляет 2,14 % при 1148 °C. ГЦК-железо имеет более крупные промежуточные положения. Механические свойства железоуглеродистых сплавов (железо и стали) зависят от их микроструктуры, то есть от того, как смешаны различные фазы.

Фазовая диаграмма железо-углерод на рис. 2 фактически показывает две диаграммы, а именно (i) стабильную диаграмму железо-графит (красные линии), (ii) и метастабильную диаграмму Fe-Fe3C.Цементит метастабилен, и истинное равновесие должно быть между железом и графитом (С). Хотя графит широко встречается в чугунах, обычно трудно получить эту равновесную фазу в сталях. Для развития стабильного состояния обычно требуется очень много времени, особенно при низких температурах и низком содержании углерода. Следовательно, диаграмма нормального равновесия, которая обычно используется, представляет собой диаграмму метастабильного Fe-Fe3C, поскольку она имеет отношение к поведению большинства сталей на практике.

Детали стабильных и метастабильных фазовых диаграмм системы Fe-C, особенно на стороне, богатой железом, известны намного лучше, чем любые другие бинарные системы с аналогичной сложностью.Однако все еще существуют значительные области, в которых фазовая диаграмма не установлена, например, в диапазонах температур, составов и давлений, не связанных непосредственно с производством чугуна и стали.

Рис. 2 Диаграмма железо-углерод, показывающая стабильные и метастабильные фазы

В системе железо-углерод есть несколько важных металлургических фаз и микрокомпонентов. В системе Fe–Fe3C углерод является примесью внедрения в Fe. Он образует твердый раствор с альфа (альфа-феррит), гамма (аустенит) и дельта (дельта-феррит) фазами железа.Это важные фазы на фазовой диаграмме Fe – Fe3C. Между однофазными полями обнаруживаются области со смесями двух фаз, таких как феррит и цементит, аустенит и цементит, феррит и аустенит. При самых высоких температурах можно обнаружить поле жидкой фазы, а под ним находятся поля двух фаз: жидкость и аустенит, жидкость и цементит и жидкость и феррит. При термообработке сталей всегда избегают жидкой фазы. В точке эвтектики (4,26 % С) жидкий сплав при охлаждении непосредственно превращается в аустенит и цементит без какого-либо двухфазного поля.Точно так же в эвтектоидной точке (0,76 % C) аустенитная фаза при охлаждении напрямую превращается в феррит и цементит без какого-либо двухфазного поля. Некоторым важным границам в однофазных полях даны специальные названия, облегчающие понимание диаграммы.

Основными фазами железа и стали в равновесии являются следующие фазы.

• Феррит или фаза альфа-железа — это стабильная форма железа при комнатной температуре. Это относительно мягкая низкотемпературная фаза и устойчивая равновесная фаза.Он превращается в ГЦК-аустенит (гамма-фаза) при 910 °C. Феррит является обычным компонентом сталей и имеет ОЦК-структуру, которая менее плотно упакована, чем ГЦК-структура. Он мягкий и довольно пластичный. Он обладает магнитными свойствами при температуре ниже 768°C. Обладает низкой прочностью и хорошей ударной вязкостью.
• Фаза аустенита или гамма-железа. Аустенит представляет собой высокотемпературную фазу. Это твердый раствор C в FCC-железе. Следовательно, он имеет структуру FCC, которая представляет собой плотноупакованную структуру. Это немагнитная и пластичная фаза.Он превращается в дельта-феррит ОЦК при 1394 °C. Он нестабилен ниже температуры эвтектики (727 °C), если его не охладить быстро. Аустенит обладает хорошей прочностью и ударной вязкостью.
• Дельта-ферритная фаза – твердый раствор C в ОЦК-железе. Он стабилен только при температуре выше 1394°С. Плавится при 1538°С. Обладает парамагнитными свойствами.
• Цементит – Fe3C или карбид железа. Это интерметаллическое соединение Fe и C. Он имеет сложную орторомбическую структуру и является метастабильной фазой.Это тяжелая, хрупкая фаза. Он имеет низкую прочность на растяжение, хорошую прочность на сжатие и низкую ударную вязкость. Разлагается (очень медленно, в течение нескольких лет) на альфа-феррит и С (графит) в интервале температур от 650 до 700°С. максимальное значение 2,14 % при 1148°С. Такая высокая растворимость углерода в аустените чрезвычайно важна при термообработке, когда обработка на твердый раствор в аустените с последующей быстрой закалкой до комнатной температуры позволяет образовать пересыщенный твердый раствор углерода в железе.Ферритная фаза ограничена максимальной растворимостью углерода 0,025 % при 727°C. Поскольку диапазон содержания углерода в обычных сталях составляет от 0,05 % до 1,5 %, феррит обычно связан с цементитом в той или иной форме. Точно так же дельта-фаза очень ограничена и находится в диапазоне температур от 1394°С до 1538°С. Она полностью исчезает, когда содержание углерода достигает 0,5%.

  Сплав эвтектоидного состава (0,76% C) при медленном охлаждении образует перлит, представляющий собой слоистую структуру из двух фаз, а именно альфа-феррита и цементита.Перлит представляет собой смесь феррито-цементитной фазы. Он имеет характерный внешний вид и может рассматриваться как микроструктурная единица или микрокомпонент. Он представляет собой совокупность чередующихся пластинок феррита и цементита, которая после длительной выдержки ниже 727°С вырождается (сфероидизируется или укрупняется) в частицы цементита, диспергированные с ферритовой матрицей. Является эвтектоидом и имеет ОЦК-структуру. Это частично растворимый раствор Fe и C. Механически перлит имеет промежуточные свойства по сравнению с мягким, пластичным ферритом и твердым, хрупким цементитом.Обладает высокой прочностью и низкой вязкостью.

  Гипоэвтектоидные сплавы содержат доэвтектоидный феррит (образованный при температуре выше эвтектоидной) вместе с эвтектоидным перлитом, который содержит эвтектоидный феррит и цементит. Заэвтектоидные сплавы содержат проэвтектоидный цементит (образующийся выше эвтектоидной температуры наряду с перлитом, содержащим эвтектоидный феррит и цементит).

  В случае неравновесного затвердевания системы Fe-C также может образовываться дополнительный тип микроструктур.Некоторые из этих микроструктур приведены ниже.

  • Бейнит – фаза между перлитом и мартенситом. Это твердый метастабильный микрокомпонент, состоящий из непластинчатой ​​смеси феррита и цементита в очень мелком масштабе. Верхний бейнит образуется при более высоких температурах и имеет перистый вид. Нижний бейнит образуется при более низких температурах и имеет игольчатый вид. Твердость бейнита увеличивается с понижением температуры его образования. Обладает хорошей прочностью и жесткостью.
  • Мартенсит – это очень твердая форма кристаллической структуры стали. Он назван в честь немецкого металлурга Адольфа Мартенса. Он образуется при быстром охлаждении, твердый и хрупкий. Это объемно-центрированная тетрагональная (BCT) форма железа, в которой растворено некоторое количество углерода. Он образуется во время закалки, когда гранецентрированная кубическая решетка аустенита искажается в объемноцентрированную тетрагональную структуру без потери содержащихся в ней атомов углерода на цементит и феррит. Это пересыщенный раствор атомов С в феррите.Это твердая метастабильная фаза. Он имеет решетчатую морфологию, когда С составляет менее 0,6 %, пластинчатую морфологию, когда С составляет более 1 %, и смесь промежуточных форм. Он имеет высокую прочность и твердость и низкую ударную вязкость.
  • Сорбит/троостит – Структуры нижней перлитной стадии с очень мелкими чешуйками называются сорбитом и трооститом. Возрастающим скоростям охлаждения соответствуют структуры превращения перлитной стадии. Однако это меняет структурное соотношение и формирование перлита в зависимости от расстояния между чешуйками.Структура не видна под оптическим микроскопом.
  • Видманштеттеновый феррит – получается при быстром охлаждении доэвтектоидной простой углеродистой стали до температуры выше температуры A3. Из-за быстрого охлаждения у кристаллов феррита остается мало времени для зарождения не только на границе зерен, но и внутри крупных аустенитных зерен. Они быстро растут в некотором предпочтительном направлении кристалла внутри зерна и, таким образом, становятся удлиненными. Структура либо в виде игл (реек), либо в виде пластин, которые имеют тенденцию выстраиваться в одном направлении в пределах одного зерна.

  На диаграмме железа-C есть много температур и критических точек, которые важны как с базовой, так и с практической точки зрения. Это температуры, когда при охлаждении или нагревании в них происходят как фазовые, так и магнитные превращения. Температуры, при которых происходят превращения в твердом состоянии, называются критическими температурами, или критическими точками. Основные температуры и критические точки приведены ниже.

  • Температура A0 – это температура Кюри, когда при нагревании происходит переход цементита из магнитного состояния в немагнитное.В структуре могут образовываться дефекты, такие как дислокации, разломы и вакансии. Цементит является металлическим и ферромагнитным с температурой Кюри около 210 градусов C. При сплавлении металлические растворы замещают места железа; более мелкие атомы, такие как бор, заменяют углерод в междоузлиях.
  • A1 температура – ​​это температура (727 град С), при которой происходит эвтектоидное превращение. При этой температуре перлит превращается в аустенит при нагреве и наоборот
  • Температура А2 – называется температурой Кюри феррита (768 град С), при которой ферромагнитный феррит при нагревании превращается в парамагнитный.При этой температуре микроструктура не меняется.
  • Температура A3 – это температура, при которой феррит только начинает формироваться из аустенита при охлаждении доэвтектоидной стали или последние следы свободного феррита превращаются в аустенит при нагреве. Таким образом, это температура, соответствующая границе раздела фаз гамма + альфа/гамма для доэвтектоидной стали, и она является функцией содержания углерода в стали, поскольку она снижается от 910°С при 0 % С до 727°С при 0,76 % С. , Ее также называют верхней критической температурой доэвтектоидных сталей.Температурный интервал между температурами А1 и А3 называется критическим диапазоном, в котором аустенит находится в равновесии с ферритом.
  • Температура Acm – это температура в заэвтектоидной стали, при которой доэвтектоидный цементит только начинает формироваться (при охлаждении) из аустенита. Он представляет собой температуру границы раздела фаз гамма/гамма + Fe3C и является функцией углерода. Линия Acm показывает, что растворимость углерода в твердом состоянии в аустените очень быстро уменьшается от максимума 2.от 14 % при 1148°С до максимума 0,76% при 727°С из-за большей стабильности цементита при более низких температурах. Дополнительный углерод выделяется из аустенита в виде доэвтектоидного цементита в заэвтектоидных сталях (также называемого вторичным цементитом в чугунах). Отделение цементита от аустенита (при охлаждении) также сопровождается выделением тепла.
  • Температура A4 – это температура, при которой аустенит превращается в дельта-железо. Самое низкое значение этой температуры составляет 1394°С, что соответствует чистому железу.Эта температура увеличивается по мере увеличения процентного содержания углерода.
  • Ms температура – ​​это температура, при которой начинается превращение аустенита в мартенсит при охлаждении.
  • Температура Mf – это температура, при которой заканчивается образование мартенсита при охлаждении. Все изменения, кроме образования мартенсита, происходят при более низких температурах при охлаждении, чем при нагреве, и зависят от скорости изменения температуры.

  Превращение аустенита в феррит — в равновесных условиях в сплавах железа с углеродом, содержащих до 0, образуется доэвтектоидный феррит.76 % углерода. Реакция протекает при 910°С в чистом железе, а между 910°С и 727°С в сплавах железа с углеродом. Однако при закалке из аустенитного состояния до температур ниже эвтектоидной температуры феррит может образовываться вплоть до температур до 600°С. При понижении температуры превращения наблюдаются выраженные морфологические изменения, которые обычно относятся к доэвтектоидным формам. и заэвтектоидные фазы, хотя в каждом случае существуют вариации из-за точной кристаллографии вовлеченных фаз.Например, те же принципы применимы к образованию цементита из аустенита, но морфологически отличить феррит от цементита нетрудно.

  Преобразование аустенита в цементит. Существуют различные морфологии цементита, которые образуются при постепенно более низких температурах превращения. Начальное развитие аллотриоморфов границ зерен очень похоже на развитие феррита, и рост боковых пластин или видманштеттовского цементита происходит по той же схеме.Аллотриоморф имеет форму, не отражающую его внутреннюю кристаллическую симметрию. Это связано с тем, что он имеет тенденцию образовываться на поверхности аустенитных зерен, образуя таким образом слои, которые повторяют контуры границ зерен. Пластинки цементита имеют более строго кристаллографическую форму, несмотря на то, что ориентационная связь с аустенитом более сложная. Как и в случае с ферритом, большинство боковых пластин происходит из аллотриоморфов границ зерен, но в реакции цементита больше боковых пластин зарождается на границах двойников в аустените.

  Реакция аустенита и перлита. Перлит является наиболее известной микроструктурой на фазовой диаграмме железа и углерода. Он был обнаружен Сорби более века назад, который правильно предположил, что это пластинчатая смесь железа и карбида железа. Это очень распространенный компонент самых разных сталей, где он вносит существенный вклад в прочность. Пластинчатые эвтектоидные структуры такого типа широко распространены в металлургии сталей. Эти структуры имеют много общего с реакциями клеточной преципитации.Оба типа реакций происходят путем зародышеобразования и роста и, следовательно, контролируются диффузией. Зародыши перлита встречаются на границах аустенитных зерен, но ясно, что они также могут быть связаны как с доэвтектоидным ферритом, так и с цементитом. В промышленных сталях перлитные конкреции могут образовываться на включениях.

  На этой диаграмме процентное содержание углерода показано по оси x, а температура — по оси y. На этом рисунке показана диаграмма равновесия железа и углерода. На этой диаграмме линиями обозначены границы фазового перехода сплава.Различные фазы или смеси фаз встречаются в разных областях, очерченных этими кривыми. Чистое железо существует в двух аллотропных формах: ∝-железо и γ-железо, обе в твердом состоянии. ∝-железо существует между 910 ° C, а также выше 1392 ° C, и его кристаллическая решетка объемно-центрированная кубическая. ∝-железо, которое существует при температуре выше 1392 °C, также называется δ-железом. γ-железо существует в диапазоне температур от 910°C до 1392°C, и его кристалл имеет кубическую гранецентрированную форму. Температура плавления железа 1539°С.

  В системе Fe-C находится в твердом состоянии, присутствуют различные фазы: феррит (твердый раствор), аустенит, цементит (химическое соединение, карбид железа) и свободный углерод в аллотропной форме графита.

  Сталь – сплав углерода с железом и другими легирующими элементами (например, Mn, Si) с содержанием углерода до 2%, предназначенный для деформируемых изделий или полуфабрикатов. Чугун представляет собой сплав углерода с железом и другими легирующими элементами (например, Mn, Si) с содержанием углерода более 2%, предназначенный для отливок. Теперь рассмотрим только часть диаграммы Fe-Fe3C, относящуюся к стали. Перлит представляет собой структуру (т.е. состоит из двух фаз), состоящую из чередующихся слоев феррита и цементита в соотношении 87:13 по весу.Перлит образуется из аустенита при температуре эвтектоида (А1) 727°С при медленном охлаждении. По содержанию углерода различают три группы сталей: – заэвтектоидные стали с содержанием углерода менее 0,76 % – эвтектоидные стали с содержанием углерода около 0,76 % – заэвтектоидные стали с содержанием углерода более 0,76 % (до 2 % С).

   

  Превращение аустенита в феррит

  В равновесных условиях в железоуглеродистых сплавах, содержащих до 0.8 процентов углерода. Реакция происходит при 910 град. C в чистом железе, но имеет место между 910 град. С и 723 град. C в железоуглеродистых сплавах.

  Однако при закалке из аустенитного состояния до температур ниже эвтектоидной температуры Ae1 феррит может образовываться при температурах до 600 град. C. Имеются выраженные морфологические изменения при понижении температуры превращения, которые, следует подчеркнуть, относятся в основном к гипо- и заэвтектоидным фазам, хотя в каждом случае будут вариации из-за точной кристаллографии вовлеченных фаз.Например, те же принципы применимы к образованию цементита из аустенита, но морфологически отличить феррит от цементита нетрудно.

  Превращение аустенита в цементит

  Классификация Дьюба в равной степени применима к различным морфологиям цементита, образующегося при все более низких температурах превращения. Начальное развитие аллотриоморфов границ зерен очень похоже на развитие феррита, и рост боковых пластин или цементита видманстатена происходит по той же схеме.Пластинки цементита имеют более строго кристаллографическую форму, несмотря на то, что ориентационная связь с аустенитом более сложная.

  Как и в случае с ферритом, большинство боковых пластин происходит из аллотриоморфов границ зерен, но в реакции цементита больше боковых пластин зарождается на границах двойников в аустените.

  Диаграмма состояния железа-углерода

  Диаграмма состояния железа-углерода

  Реакция аустенита и перлита

  Перлит является наиболее известной микроструктурной особенностью во всей металлографии.Он был обнаружен Сорби более века назад, который правильно предположил, что это пластинчатая смесь железа и карбида железа.

  Перлит является очень распространенным компонентом многих сталей, где он вносит существенный вклад в прочность. Пластинчатые эвтектоидные структуры этого типа широко распространены в металлургии, и для их описания часто используется термин перлит.

  Эти структуры имеют много общего с реакциями клеточной преципитации. Оба типа реакций происходят путем зародышеобразования и роста и, следовательно, контролируются диффузией.Зародыши перлита встречаются на границах аустенитных зерен, но ясно, что они также могут быть связаны как с доэвтектоидным ферритом, так и с цементитом. В промышленных сталях перлитные конкреции могут образовываться на включениях.

  Можно видеть, что нормальная диаграмма равновесия железо-углерод представляет собой метастабильное равновесие между железом и карбидом железа. Цементит метастабилен, так как истинное равновесие находится между железом и графитом. Хотя графит широко встречается в чугунах (от 2 до 4 массовых процентов углерода), обычно трудно получить эту равновесную фазу в стали (0.от 03 до 1,5 мас.% углерода). Поэтому обычно рассматривается метастабильное равновесие между железом и карбидом железа, поскольку оно имеет отношение к поведению различных сталей на практике.

  При сравнении аустенита (?-железа) с ферритом (?-железом) отмечено, что растворимость углерода больше в аустените с максимальным значением чуть более 2 мас.% при 1147 град. C. Эта высокая растворимость углерода в аустените чрезвычайно важна при термообработке, когда обработка на твердый раствор в аустените с последующей быстрой закалкой до комнатной температуры позволяет образовать пересыщенный твердый раствор углерода в железе.

  Ферритовая фаза ограничена максимальной растворимостью углерода 0,02 мас.% при 723 град. C. Поскольку диапазон содержания углерода в обычных сталях составляет от 0,05 до 1,5 мас.%, феррит обычно связан с цементитом в той или иной форме. Точно так же ?-фаза очень ограничена и находится в диапазоне температур от 1390 до 1534 градусов. C и полностью исчезает, когда содержание углерода достигает 0,5 мас.%.

  На диаграмме Fe-Fe3C протекают три важные инвариантные (при постоянной температуре) реакции, как описано ниже:

  1.Перитектическая реакция:

  Перитектическая реакция в общем случае может быть представлена ​​уравнением:

  , где L представляет собой жидкость фиксированного состава, S1 и S2 представляет собой два разных твердых тела фиксированного состава каждое. На рис. 1.23 показана перитектическая область диаграммы Fe-Fe3C.

  Инвариантная перитектическая реакция на диаграмме Fe-Fe3C определяется как:

  На самом деле, сталь Fe-0,17% C является перитектической сталью, потому что только эта сталь полностью подвергается вышеуказанной реакции.При охлаждении из расплавленного состояния эта сталь начинает затвердевать в точке x, и первое твердое тело, которое должно зародиться, представляет собой δ-феррит. По мере дальнейшего охлаждения затвердевает больше δ-феррита [рис. 1.23 (b)] и при любой температуре, скажем T1, правило Левера помогает рассчитать долю δ-феррита (= FG/EG) и жидкости (= EF/EG).

  подробное объяснение фазовой диаграммы железо-углерод

  Состав (т.е. % C) δ-феррита изменяется вдоль EO и жидкости вдоль GB при дальнейшем падении температуры (согласно правилу рычага), так что, когда эта перитектическая сталь как раз достигает перитектической температуры, 1495 ° C, и до того, как произойдет перитектическая реакция, жидкость имеет состав (точка B) 0.53% C и δ-феррит (точка 0) имеет 0,09% C, и количество этих фаз соответствует правилу рычага с OPB в качестве связующей линии с P в качестве точки опоры.

  Теперь этот сплав при перитектической температуре 1495°С полностью вступает в перитектическую реакцию, т.е. ) для получения 100 % твердого аустенита (с = 0,17 %), т. е. для полной перитектической реакции соотношение 8-феррита (с = 0,09 %) к жидкому (с = 0,09 %).53%) должно быть (81,81/18,18) : : 4,5:1 при только что достигнутой температуре 1495. Стали с содержанием углерода от 0,09% до 0,17% называются гипоперитектическими сталями.

  Эти стали имеют большее количество 8-феррита (0,09 % С), чем требуется для полной перитектической реакции, и, таким образом, присутствует дополнительный непрореагировавший 8-феррит (0,09 % С) наряду с перитектически образованным аустенитом (с = 0,17 %), после перитектическая реакция завершилась. Например, сталь с 0,15% С, охлажденная до перитектической температуры (до того, как произойдет перитектическая реакция), имеет 1495°С (используйте правило рычага с соединительной линией OZB с точкой опоры Z).

  Для полной перитектической реакции при 1495 °C количество δ-феррита (c = 0,09), необходимое для 13,64 % жидкости, содержащейся в этом сплаве, составляет 13,64 x 4,5 = 61,36 %. Таким образом, сталь с содержанием углерода 0,15% имеет 86,36 – 61,36 = 25% масс. дополнительного δ-феррита, который остается непрореагировавшим после перитектической реакции, вместе с аустенитом фазы продукта с массовым % (13,64 + 61,36) = 75. Этот результат можно проверить, применив правило рычага для этого сплава при температуре чуть ниже перитектической температуры с OP в качестве связующей линии с точкой опоры в Z.

  Стали с содержанием углерода от 0,17% до 0,53% называются гиперперитектическими сталями. Эти стали имеют больше жидкости при перитектической температуре (только что достигнутой), чем требуется для полной перитектической реакции, и, таким образом, после этой реакции имеют продукт фазы аустенита и дополнительную непрореагировавшую жидкость (с = 0,53). Все стали с содержанием углерода от 0,09% до 0,53 подвергаются перитектической реакции. Стали с содержанием С менее 0,09 % и углеродом более 0,53 % не вступают в перитектическую реакцию.

  Скажем, сталь с 0,77 % С (рис. 1.23) начинает затвердевать в точке J с образованием твердого аустенита (состава, заданного точкой L). При понижении температуры образуется больше аустенита. Содержание углерода в твердом аустените изменяется по линии LK до тех пор, пока сталь не станет 100 % твердым аустенитом (с = 0,77 %) в точке К. особенно в условиях быстрого охлаждения, когда может возникнуть микросегрегация, в противном случае в этой области не проводится промышленная термообработка, и если по какой-то плохой практике, эти температуры достигаются при нагреве сталей для ковки или прокатки и т. д., то сильный перегрев и горение приводят к тому, что стали превращаются в лом.

  2. Эвтектическая реакция:

  Эвтектическая инвариантная реакция в целом может быть представлена ​​уравнением:

  Где L представляет собой жидкость эвтектического состава, а S1 и S2 представляют собой два разных твердых вещества фиксированного состава. каждый. На рис. 1.24 показана эвтектическая область диаграммы Fe-Fe3 C.

  Инвариантная эвтектическая реакция на диаграмме Fe-Fe3 C представлена ​​следующим образом:

  Fe-4.Сплав с 3% C называется эвтектическим чугуном, так как это сплав с самой низкой температурой плавления, который представляет собой однофазную жидкость (100%) с содержанием углерода 4,3% при эвтектической температуре, только что достигнутой 1147 ° C, и полностью подвергается эвтектической реакции при этой постоянной эвтектической температуре. чтобы получить смесь двух различных твердых веществ, а именно аустенита (c = 2,11 %) и цементита, затвердевающих одновременно. Эта эвтектическая смесь называется ледебуритом. Правило рычага используется для расчета количества аустенита и цементита в эвтектическом сплаве сразу после эвтектической реакции, т.е.е. чуть ниже 1147°С (также в ледебурите).

  Поскольку сплавы Fe-C с содержанием углерода более 2,11 % классифицируются как чугуны, сплавы Fe-C с содержанием углерода от 2,11 до 4,3 % называются доэвтектическими чугунами, тогда как сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % относятся к чугунам. называются заэвтектическими чугунами. Сплав Fe с 4,3% углерода называется эвтектическим чугуном. Доэвтектический чугун, скажем, с содержанием углерода 3,3 %, начинает затвердевать при охлаждении из расплавленного состояния (рис. 1.24) в точке Н, и первым зародышем твердого тела является аустенит состава, заданного точкой I.

  По мере охлаждения затвердевает больше аустенита, называемого доэвтектическим аустенитом. Проэвтектический аустенит представляет собой аустенит, образованный из жидкого сплава до того, как в оставшейся жидкости в сплаве произойдет эвтектическая реакция. В течение этого периода состав затвердевшего аустенита изменяется по линии IQ, а жидкого по линии HC до тех пор, пока при только что достигнутой температуре эвтектики (1147 °С) твердый аустенит не будет иметь углерод 2,11% (точка Q) и жидкость имеет углерод 4.3%. Правило рычага используется для расчета количества этих фаз в данный момент (QC – связующая линия).

  Эта жидкость в количестве 54,34 мас. % имеет состав Fe-4,3 % углерода и находится при температуре эвтектики 1147°С, и, таким образом, происходит эвтектическая реакция, т.е. 54,34 мас. % жидкости превращается в 54,34 мас. смесь, состоящая из аустенита (с = 2,11 %) и цементита, называемого, как уже говорилось, ледебуритом в количестве 54,34 мас. % (вес жидкости = вес ледебурита).

  Можно проверить с помощью правила рычага при температуре немного ниже 1147°C. Помните, что теперь связующая линия должна продолжаться плечом, заканчивающимся на границе раздела фаз, соответствующей аустениту, т. е. Q, а другой конец плеча рычага простирается до состава 100% эвтектической смеси, т. е. точки С с точкой опоры при составе сплава. , то есть 3,3%C, таким образом,

  Что соответствует результатам в уравнениях 1.14 и 1.15.

  подробное объяснение диаграммы состояния железа и углерода

  Заэвтектический чугун, скажем, имеющий углерод 5.0 %, при охлаждении из расплавленного состояния начинает затвердевать в точке М (рис. 1.24) и первым образующимся твердым телом является цементит связанного углерода 6,67 %. Поскольку охлаждение протекает с образованием большего количества цементита до температуры 1147°С, весь цементит, затвердевший до 1147°С (эвтектическая температура), называется первичным цементитом, или доэвтектическим цементитом.

  Количество присутствующих фаз составляет:

  Затем эта жидкость подвергается эвтектической реакции с образованием смеси аустенита и цементита, называемой ледебуритом, количество которой равно 70.47%.

  На рис. 1.24 горизонтальная линия QCR означает эвтектическую реакцию, т. е. всякий раз, когда сплав при охлаждении из расплавленного состояния пересекает эту линию, эвтектическая реакция должна происходить на этой линии (т. е. при 1147 °С).

  Любое количество жидкости, которая присутствует при достижении этой линии, имеет состав Fe-4,3% углерода и теперь должно затвердеть в очень тонкую однородную смесь цементита и аустенита (c = 2,11%), называемую ледебуритом. Таким образом, сплавы Fe-C, содержащие углерод между 2.От 11% до 6,67% подвергаются эвтектической реакции при температуре эвтектики 1147°С.

  Поскольку аустенит нестабилен при комнатной температуре в обычных сплавах, ледебурит обычно не проявляется в микроструктуре. Во-первых, поскольку растворимость углерода в твердом состоянии снижается в аустените с максимальных 2,11% при 1147 °С до 0,77% при 727 °С, лишний углерод выпадает в виде вторичного цементита до тех пор, пока содержание углерода, растворенного в аустените, не составит 0,77% при температуре 727 °С. 727°С, который затем в результате эвтектоидной реакции превращается в перлит.Ледебурит, в котором аустенит превратился в перлит, называется преобразованным ледебуритом.

  3. Эвтектоидная реакция:

  Эвтектоидная инвариантная реакция представляет собой твердофазную версию эвтектической реакции и, как правило, может быть представлена ​​уравнением: различные твердые вещества, каждое из которых имеет фиксированный состав. На рис. 1.25 показана эвтектоидная область диаграммы Fe-Fe3C.

  Инвариантная эвтектоидная реакция на диаграмме Fe-Fe3C определяется уравнением:

  i.е. при охлаждении аустенит 0,77%С при постоянной эвтектоидной температуре 727°С претерпевает эвтектоидное превращение с образованием смеси феррита (е = 0,02%) и цементита, т.е. чередуются пластины феррита и цементита. Эта эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом из-за ее жемчужного вида под оптическим микроскопом. Сплав Fe — 0,77 % С называется эвтектоидной сталью, так как этот сплав полностью затвердевает в виде однофазного аустенита (с = 77 %) в точке К (рис. 1.23) и остается в таком виде при охлаждении до эвтектоидной температуры 727 °С (рис.1.25), а затем происходит эвтектоидная реакция с образованием 100% перлита (рис. 1.25).

  Количество феррита (0,02% С) и цементита в этом перлите при температуре немного ниже эвтектоидной, 727°С, дано: Плотности феррита и цементита составляют 7,87 г/см3 и 7,70 г/см3 соответственно, что вполне сопоставимо. Таким образом, объемные %s феррита и цементита в перлите также находятся примерно в соотношении 8:1.Так, пластинка феррита в 8 раз толще пластинки цементита. При травлении ниталом (разбавленным раствором азотной кислоты в спирте) обе фазы травятся и под микроскопом выглядят белыми, но границы травятся черными.

  Поскольку две границы цементитной пластины расположены близко друг к другу, они не могут быть выделены как отдельные линии, поэтому цементит часто выглядит как одна темная линия. При более высоких увеличениях, как в крупнозернистом перлите, границы цементита могут проявляться в виде отдельных линий.

  Стали с содержанием углерода от 0.02% до 0,77% называются доэвтектоидными сталями. Например, сталь Fe-0,4% C представляет собой 100% твердый аустенит, скажем, при 1000 °C, и никаких изменений не происходит до тех пор, пока она не будет охлаждена до точки N (рис. 1.25), где на границах зерен аустенита зарождается феррит. При более низкой температуре схематическая микроструктура, показанная на рис. 1.25, состоит из феррита и аустенита.

  При охлаждении этого сплава до эвтектоидной температуры количество фаз составляет:

  Это 50.67% аустенита (0,77%) при эвтектоидной температуре должны подвергнуться эвтектоидной реакции с образованием очень тонкой смеси феррита и цементита, называемой перлитом, в количестве 50,67%. Таким образом, сталь с содержанием углерода 0,4 % содержит примерно 50 % перлита и 50 % феррита. Этот феррит называется доэвтектоидным ферритом или свободным ферритом.

  Стали с содержанием углерода от 0,77% до 2,11% называются заэвтектоидными сталями. Сталь с содержанием углерода 1,2 % при охлаждении до точки w полностью является аустенитной (рис. 1.25), но при дальнейшем понижении температуры и из-за того, что растворимость углерода в твердом состоянии в аустените уменьшается с понижением температуры, углерод выделяется в виде выделений вторичного цементита, который чаще называют доэвтектоидным цементитом, особенно в заэвтектоидных сталях.Количество фаз в 1,2%-ной углеродистой стали при только что достигнутой эвтектоидной температуре (до того, как произойдет эвтектоидная реакция) составляет- (проэвтектоидный цементит образуется на границах зерен аустенита в виде сетки),

  Это 92,71 % аустенита (из 0,77 % C) теперь при эвтектоидной температуре должны вступить в эвтектоидную реакцию с образованием тонкодисперсной смеси феррита и цементита, называемой перлитом, в количестве 92,71 %. Таким образом, сталь с содержанием углерода 1,2 % ниже эвтектоидной температуры имеет 7,29 % доэвтектоидного цементита и 92.71 % перлита.

  Горизонтальная линия ТУТ’ (рис. 1.25) представляет собой эвтектоидную реакцию, и всякий раз, когда сплав при охлаждении пересекает эту линию, должна иметь место эвтектоидная реакция’. Любое количество аустенита, присутствующее при достижении этой линии, должно превратиться в такое же количество перлита. Сплавы Fe-C с содержанием углерода от 0,02 % до 6,67 % вступают в эвтектоидную реакцию при 727°C, то есть практически все коммерческие железоуглеродистые сплавы.

  В прошлый раз мы рассмотрели, как теплота сварки влияет на зону термического влияния (ЗТВ) металлов, упрочненных тремя типичными процессами упрочнения: твердым раствором, наклепом и дисперсионным твердением.Остается рассмотреть один критический процесс упрочнения: упрочнение с превращением (мартенситное).

  Трансформационная закалка включает использование цикла нагрева/закалки/повторного нагрева/охлаждения, в ходе которого сталь проходит через формирование мартенсита, а затем закаливается до желаемой прочности и пластичности. Процесс популярен и эффективен. Он позволяет регулировать прочность железоуглеродистых сплавов под конкретные требования.

  Но этот цикл должен стать для вас первым признаком того, что сварка может оказывать на эти сплавы весьма коварное воздействие.Чтобы понять не только то, что происходит, но и то, как вы можете помочь контролировать это, давайте подробнее рассмотрим ужесточение трансформации.

  Трансформационная закалка состоит из трех этапов:

  1. Нагрейте сталь, чтобы она стала полностью аустенитной. Ключевым моментом здесь является температура. Вам необходимо нагреть сталь на 50–100 градусов по Фаренгейту выше, чем температура превращения A3-Acm (см. рисунок 1). Обычно это где-то между 1500 и 2300 градусов по Фаренгейту. Этот этап иногда называют аустенитизацией.
  2. Закалить сталь. Идея здесь состоит в том, чтобы охладить сталь так быстро, чтобы равновесные продукты перлита плюс феррит или перлит плюс цементит не могли образоваться. Следовательно, остается только мартенсит. Когда скорость охлаждения достаточно высока, образуется 100-процентный мартенсит, и дополнительная твердость не может быть получена за счет более быстрой закалки. Помните, мартенсит чрезвычайно твердый и чрезвычайно хрупкий, поэтому нам нужен третий шаг.
  3. Закалить сталь для уменьшения хрупкости. То, что вы пытаетесь сделать, это преобразовать часть — не весь — мартенсит в перлит и цементит.Это происходит, если вы повторно нагреваете сталь до температуры ниже A1, обычно от 400 до 1300 градусов по Фаренгейту, а затем даете ей медленно остыть, обычно на неподвижном воздухе. На рис. 2 графически показано усиление трансформации

  Теперь, когда вы знаете, с чем имеете дело, небольшой поворот. Мы знаем, что сплавы, закаленные таким образом, содержат достаточно углерода и сплавов для превращения в мартенсит во время цикла охлаждения после сварки. Иначе они бы не затвердели изначально.

  Но термический цикл сварки влияет не только на эти стали, но и на стали, которые не были закалены  , но имеют достаточную прокаливаемость, чтобы превратиться в мартенсит во время термического цикла сварки. Другими словами, если сталь может быть подвергнута трансформационному упрочнению, то после сварки в ЗТВ будет присутствовать мартенсит.

  Связь ЗТВ с фазовой диаграммой железо-углерод

  Для пояснения мы можем связать ЗТВ с фазовой диаграммой железо-углерод.Это помогает установить связь между широким диапазоном температур и изменениями, происходящими в различных областях ЗТВ. На рисунке 3 показано, что HAZ разбита на четыре основные области.

  В области 1 зерно укрупняется, и благодаря температурам, близким к температуре плавления, быстро образуется аустенит. Это крупное зерно увеличивает прокаливаемость, поэтому при быстром охлаждении может легко образоваться мартенсит.

  подробное объяснение фазовой диаграммы железо-углерод

  В области 2 область аустенитизирована.И хотя она недостаточно горячая, чтобы стимулировать рост зерен (помните, рост зерен увеличивает прокаливаемость), область перейдет в мартенсит, если скорость охлаждения будет достаточно высокой или если будет достаточно сплавов.

  В области 3 некоторые зерна превращаются в очень мелкий аустенит, а некоторые нет. Тем не менее, эта область обычно не вызывает особого беспокойства.

  Рисунок 1
  Фазовая диаграмма железо-углерод

  В области 4 все становится немного мягче, потому что тепло сварки закаляет некоторые ферритовые зерна.

  Таким образом, в этой относительно небольшой области мы переходим от одной крайности к другой — от твердого хрупкого мартенсита в области 1 и, возможно, области 2 к размягченным зернам феррита в области 4. Конечно, размер каждой области, а также ширина ЗТВ, определяется погонной энергией сварки. С другой стороны, чем больше тепла, подаваемого при сварке, тем больше времени требуется для охлаждения. А более медленные скорости охлаждения с меньшей вероятностью образуют мартенсит.

  Помните, что высокоуглеродистый мартенсит твердый, прочный и хрупкий, а твердость ЗТВ зависит от содержания углерода в основном металле.По мере увеличения количества углерода увеличивается твердость и вероятность растрескивания. При этом снижается жесткость. И хотя мартенсит сам по себе не вызывает растрескивания, добавьте немного водорода и остаточного напряжения, и трещины обычно являются нормой.

  Как узнать, растрескается ли материал, и как его предотвратить

  К сожалению, единственный надежный способ предсказать образование холодных трещин — это проверить твердость. Проблемы возникают редко, когда твердость по Бринеллю ниже 250 или около того, но когда она выше 450, растрескивание является обычным явлением, если вы не приняли меры предосторожности.А если между 250 и 450 HB? Это азартная игра, шансы которой тем хуже, чем ближе вы приближаетесь к 450 HB.

  Итак, какие меры предосторожности следует соблюдать при сварке закаливаемых сталей, особенно прошедших термообработку? Мы рассмотрели их раньше, и они довольно просты. Помните, что чем больше тепла вы вкладываете в сварку, тем медленнее скорость охлаждения и тем меньше склонность к образованию мартенсита. Но это не значит, что вы должны нагревать его во время сварки.

  Напротив, при сварке чем меньше тепла, тем лучше.Вы хотите, чтобы ЗТВ была как можно меньше. Затем используйте сильный предварительный нагрев, чтобы замедлить скорость охлаждения. Для сплавов с высоким содержанием углерода и сплавов также рассмотрите возможность термообработки после сварки для дальнейшего медленного охлаждения. А поскольку мартенсит сам по себе не вызывает растрескивания (ему нужен водород), рассмотрите возможность использования процесса с низким содержанием водорода.

  В следующий раз мы, наконец, приступим к часто обещаемому обзору свариваемости основного металла, включая ряд конкретных коммерческих сплавов, а также несколько тестов на свариваемость. В дальнейшем мы также коснемся теплового потока при сварке, а также некоторых дополнительных деталей, касающихся термической обработки.

  Фазовая диаграмма железо-углерод – Edelstahl härten

  Углерод является самым важным легирующим элементом в железе. По этой причине даже самые незначительные изменения в содержании углерода могут привести к значительным изменениям в характеристиках материала. Однако важность фазовой диаграммы железо — углерод быстро уменьшается, если материал быстро охлаждается или нагревается. Диаграмма также менее информативна, если увеличивается доля других легирующих элементов .

  Углерод встречается в двух различных формах: во-первых, в связанной форме и, во-вторых, в виде элементарного углерода в виде графита. Вот почему фазовая диаграмма железо-углерод появляется в двух формах . Стабильная система с диаграммой Fe-Графит и метастабильная с диаграммой Fe-Fe ₃ C. Обе системы можно представить на одной диаграмме, хотя на практике в основном используется метастабильная система Fe-Fe ₃ C.

  Как представлены фазы на фазовой диаграмме железо-углерод?

  По оси x диаграммы отложен массовый процент углерода.Температура отложена по оси Y. Чтобы сделать диаграмму более наглядной, показано только технически интересное содержание углерода от 0 до 6,67%. Сплавы, содержащие более 6,67% углерода, образуют фазу 100% цементита

  Поля фаз ограничены линиями, представляющими точки излома, сдвинутые на другие температуры. Для лучшего понимания соответствующие точки обозначены буквами . Обратите внимание, что на некоторых диаграммах точка I обозначена как J. Одной из наиболее важных линий является линия ликвидуса , представленная ломаной ABCD.Выше этой линии сплав находится в жидкой форме. Полилиния AHIECF называется линией солидуса . Ниже этой линии сплав полностью тверд. Если температура находится между ними, сплав имеет кашицеобразную консистенцию. Сплав состоит из остаточного расплава, δ-железа, γ-железа и цементита (Fe ₃ C). Пропорции текучие и меняются в зависимости от температуры. Как только при охлаждении сплава температура падает ниже линии ликвидуса, начинается первичная кристаллизация из расплава.

  Железо имеет различные аллотропные модификации . Таким образом, в зависимости от содержания углерода и температуры образуются разные фазы. Интеркаляционные смешанные кристаллы, образованные δ-, γ- и α-твердыми растворами железа, обладают различной растворимостью углерода. Вариации вызваны различными пространственными решетками и постоянными решетки.

  Что такое металлографическое обозначение?

  В металлографии смешанные кристаллы называются δ-ферритом, аустенитом для γ-смешанных кристаллов и ферритом для α-смешанных кристаллов.Вот обзор содержания углерода в отдельных фазах :

  		Металлографическое обозначение

  Цементит (Fe ₃ C) представляет собой соединение железа с углеродом, которое также является фазой. Однако цементит является промежуточной фазой , которую не следует путать со смешанными кристаллами железа.Химический состав цементита всегда одинаков, хотя он встречается в трех различных формах :

  .
  • Цементит первичный: первичная кристаллизация из расплава (соответствует строке CD)
  • Вторичный цементит: выделение из аустенита (соответствует линии ES)
  • Третичный цементит: выделение из феррита (соответствует линии PQ)

  Вторичный цементит присутствует при содержании углерода между 2.06 и 4,3 % С, но на диаграмме не показан. Это связано с тем, что его нельзя обнаружить металлографически.

  Помимо фаз встречаются также смеси фаз:

  	88% Ferrite / 12% Cementite	0,02% – 6,67% Bei T ≤ 723 ° C
  	51,4% Austenite / 48,6% Cementite	2,06% – 6,67% Bei 723 ° C ≤ 1147 ° C 923 ° C ≤ 1147 ° C
  	51,4% Перлит / 48,6% Cementite	2, 06 % – 6,67 % при T ≤ 723°C

  Какие изотермические реакции показаны на фазовой диаграмме железо-углерод?

  Три изотермические реакции показаны на фазовой диаграмме железо-углерод.Линия HIB представляет собой перитектику, линия ECF — эвтектику, а левая PSK — эвтектоидную реакцию.

  При нагреве или охлаждении стали на линиях происходят превращения. Они отмечены точками останова. Вот самые важные из них:

  • На линии P-S-K аустенит распадается на перлит , если содержание углерода составляет менее 0,02 % (A ₁ ).
  • Феррит теряет ферромагнетизм на линии M-O при нагреве выше 769°C (A ₂ )
  • Если температура падает ниже линии G-O-S во время охлаждения, образуется низкоуглеродистый феррит .В ходе этого процесса аустенит накапливается с выделяющимся углеродом до тех пор, пока температура не поднимется до 723°С и не достигнет эвтектоидной концентрации (А ₃ ).
  Как применяется диаграмма железо-углерод?

  Фазовая диаграмма железо-углерод помогает лучше понять поведение чугуна и стали. Сталь, например, легко формуется в диапазоне аустенита и поэтому может быть кована. С другой стороны, чугун имеет более высокую долю углерода, который присутствует в форме графита и ледебурита.Это значительно ограничивает пластичность.

  По этой причине диаграмма железо-углерод становится важным инструментом для оценки стали и чугуна .

  Delta Iron – обзор

  Фазовые превращения в сплавах железа

  Аллотропные превращения, происходящие в чистом железе, могут привести к ряду важных фазовых превращений в его сплавах. Как показано на рисунке 2, данная концентрация стабилизатора феррита может устранить поле аустенитной фазы, в то время как стабилизатор аустенита расширит это поле, позволяя сплаву претерпеть несколько полезных превращений.Например, на рис. 4 показано, что в системе Fe–C возможен ряд превращений. Следующее краткое обсуждение посвящено в основном этой системе, поскольку углерод является наиболее важной легирующей добавкой к железу.

  Во время затвердевания перитектическая реакция может происходить в определенном диапазоне составов. Для перитектического состава (0,09 мас.% C) при 1495°C может протекать следующая инвариантная реакция: L→L+δ→γ. В этой реакции жидкое + δ -железо изотермически превращается в аустенит и имеет ряд важных последствий при непрерывной разливке сталей.

  При более высоком содержании углерода, то есть 0,77 мас.% C, эвтектоидная реакция протекает при 727°C: γ→α+Fe3C. При низких скоростях охлаждения аустенит (0,77% масс. C) разлагается посредством диффузионного превращения с образованием перлита, который представляет собой пластинчатую структуру, содержащую последовательные слои феррита (0,022% масс. C) и цементита (6,67% масс. C). С увеличением скорости охлаждения образование диффузионных продуктов, таких как перлит и феррит, подавляется, в результате чего образуются неравновесные микроструктуры в диапазоне от ряда бейнитных структур до мартенсита.

  При очень высоких скоростях охлаждения продукты диффузионного превращения не образуются, поскольку для зарождения и роста этих фаз необходима атомная диффузия. Это приводит к образованию мартенсита; термин, не ограниченный сплавами на основе железа, но используемый для определения продукта недиффузионного фазового превращения как в металлах, так и в керамике. Мартенситное превращение имеет следующие важные характеристики: каждый атом сохраняет своих первоначальных соседей и между атомами нет взаимообмена; в превращении не участвуют отдельные скачки атомов, характерные для диффузионно- и межфазных превращений; реакция является бездиффузионной, что означает, что мартенситный продукт имеет тот же состав, что и исходная фаза.В сплавах Fe-C мартенситное превращение приводит к образованию твердой хрупкой фазы, тогда как в практически не содержащих углерода сплавах мартенсит пластичен.

  При очень низком содержании углерода (<0,022 масс.%) Fe–C может подвергаться серии реакций осаждения после охлаждения через сольвус, где перенасыщенный углерод в феррите разлагается при низких температурах с образованием ряда осадков. Это может привести к значительному упрочнению, которое может быть или не быть полезным в зависимости от желаемого применения сплава.

  При уровне углерода более ∼2,11 % масс. Fe–C подвергается эвтектической реакции: L→γ+Fe3C. При эвтектическом составе (4,3 мас.% С) превращения жидкого железа происходят при 1147°С с образованием аустенита и цементита с последующим охлаждением до комнатной температуры, способствующим дополнительным фазовым превращениям. Уместно отметить, что легирующие добавки, такие как Si, способствуют образованию графита, а не цементита (рис. 1). Как и стали, чугуны могут иметь широкий спектр микроструктур и свойств в зависимости от легирующих добавок, поведения при охлаждении и т. д.

  Понятно, что продукты превращения, образующиеся при распаде аустенита в сплавах на основе железа, должны быть разнообразными и зависеть от большого количества переменных, связанных с обработкой и материалом. Конкретное превращение достигается контролем типа и количества легирующих элементов, скоростью охлаждения в диапазоне превращения, термомеханической обработкой до или во время превращения и т. д. Помимо классических фазовых превращений, связанных с Fe-C, несколько известно, что в сплавах железа происходят дополнительные превращения.Способность сплавов железа подвергаться такому разнообразному диапазону фазовых превращений является основным фактором, обуславливающим их огромную популярность в качестве конструкционного материала.

  Формирование микроструктуры сталей при затвердевании

  Стали затвердевают в виде твердых растворов. Структура гранецентрированной кубической решетки с внедренным атомом углерода называется аустенитом.

  Введение

  В принципе, стали представляют собой бинарные системы, состоящие из основного элемента железа и легирующего элемента углерода с максимальным содержанием 2 % (выше 2 % углерода сплав железа с углеродом называется чугуном !).Углерод обеспечивает необходимую прочность и твердость, потому что само по себе железо было бы слишком мягким в качестве строительного материала. Чтобы иметь возможность производить стали в соответствии с этими различными требованиями (высокая твердость или высокая прочность, или сочетание того и другого), требуется более глубокое понимание системы сплавов железо/углерод.

  Сталь

  – это сплав железа и углерода! При содержании углерода более 2 % говорят о чугуне!

  В отличие от ранее рассмотренных бинарных систем фазовое превращение происходит не только при затвердевании.Железо также проявляет аллотропию (полиморфизм), т. е. в зависимости от температуры железо существует в различных структурах решетки. В твердом состоянии они вызывают дальнейшие фазовые превращения. Поэтому фазовая диаграмма системы железо/углеродный сплав несколько сложнее.

  Чтобы понять микроструктурные процессы внутри стали, имеет смысл сначала более подробно рассмотреть формирование микроструктуры чистого железа. По этой причине кривая охлаждения железа обсуждается более подробно в следующем разделе.

  Формирование микроструктуры мягкого железа

  Далее будет более подробно рассмотрена кривая охлаждения чистого железа. Поскольку чистое железо относительно мягкое в затвердевшем состоянии, его также называют мягким железом .

  Кривая охлаждения чистого железа (Fe) имеет ряд термических задержек, при которых в микроструктуре протекают различные процессы. Первая термическая остановка происходит при температуре затвердевания 1536 °С. В этот момент расплав кристаллизуется в объемно-центрированной кубической решетке (ОЦК).В этом состоянии железо также называют \(\дельта\)-железом (\(\дельта\)-Fe). Обратите внимание, что вся микроструктура \(\дельта\)-железа уже полностью затвердела. Таким образом, все дальнейшие фазовые превращения в конечном итоге происходят в уже застывшем состоянии!

  Рисунок: Кривая охлаждения мягкого железа

  При температуре 1392 °C объемно-центрированное кубическое \(\дельта\)-железо превращается в гранецентрированную кубическую структуру (ГЦК) при постоянной температуре. В этой модификации решетки железо также называют \(\gamma\)-железом.Поскольку атомная структура и, следовательно, энергия связи изменяются во время преобразования решетки, это также связано с преобразованием энергии. Следовательно, структура решетки изменяется при постоянной температуре (термическая остановка)!

  При температуре 911 °C происходит окончательное изменение решетки. При этой температуре гранецентрированное кубическое железо снова превращается в объемноцентрированную кубическую структуру. В этой форме железо также называют (\бета\)-железом.

  Последняя термическая остановка происходит при температуре 769 °C.Однако это не связано с преобразованием решетки! Причина термической остановки — квантово-механический эффект, который отвечает за то, что железо магнитится ниже этой температуры, а не выше! Эта температура также называется температурой Кюри  (кроме железа, только элементы кобальт и никель являются ферромагнитными при комнатной температуре). Магнитное состояние железа с его объемно-центрированной кубической структурой решетки также называют (\альфа\)-железом.

  Температура Кюри – это температура, при которой ферромагнитный материал теряет свои магнитные свойства!

  На приведенной ниже микрофотографии показано мягкое железо (\(\альфа\)-железо) в почти не содержащем углерода состоянии.Видны зерна железа (белые области) и включения силиката (темные пятна).

  Рисунок: Микрофотография мягкого железа

  Теперь, когда объяснены микроструктурные превращения чистого железа, в следующей статье более подробно описаны фазовые превращения в присутствии углерода (стали).

  Формирование микроструктуры стали

  В предыдущем разделе фазовые превращения чистого железа были рассмотрены более подробно. Однако в дополнение к железу стали также содержат углерод.Это приводит к сдвигу описанных фазовых превращений железа! Влияние углерода на фазовые переходы лучше всего поясняет соответствующая фазовая диаграмма (диаграмма состояний).

  Диаграмма состояний системы железо-углерод также называется фазовой диаграммой железо-углерод . Создание фазовой диаграммы на основе выбранных кривых охлаждения из-за ее сложности обсуждаться не будет. Кроме того, диаграмма железо-углерод в следующих разделах изначально рассматривается только до содержания углерода около 2%, поскольку только этот диапазон относится к сталям.Поэтому эта область на диаграмме железо-углерод также называется частью из стали . Более высокие концентрации углерода обсуждаются более подробно в отдельных разделах.

  Стальная часть – это участок диаграммы состояния железо-углерод до содержания углерода 2%, относящийся к сталям!

  Рисунок: Затвердевание стали

  Углерод первоначально влияет на затвердевание стали как твердый раствор. Следовательно, стальная часть фазовой диаграммы имеет типичную линзообразную двухфазную область во время затвердевания.Начало затвердевания описывается линией ликвидуса , а конец затвердевания линией солидуса . Между этими линиями формируется микроструктура с соответственно более медленной скоростью охлаждения. Фазовая диаграмма показывает, что область затвердевания смещается в сторону более низких температур с увеличением содержания углерода.

  Углерод смещает диапазон затвердевания стали в сторону более низких температур!

  Кроме того, даже небольшое количество углерода (> 0.1%) полностью подавляют объемно-центрированную кубическую фазу \(\дельта\)-железа. Затем сталь немедленно кристаллизуется в гранецентрированной кубической решеточной структуре \(\gamma\)-железа. Так как фаза \(\delta\) все равно не имеет технического значения, фазовая диаграмма очень часто представляется в упрощенном виде без этой фазовой области.

  Стали ведут себя во время затвердевания как твердые растворы, в которых легирующий элемент углерод полностью растворим в железе основного материала.

  Хорошая растворимость углерода обусловлена ​​гранецентрированной кубической структурой решетки \(\gamma\)-железа.Относительно небольшие атомы углерода находят свое место в свободных центрах элементарных ячеек. В данном случае это твердый раствор внедрения, в котором атом углерода внедрен в междоузлиях решетки железа. Эта гранецентрированная кубическая структура решетки железа с внедренными в нее атомами углерода также называется аустенитом .

  Аустенит представляет собой гранецентрированную кубическую решеточную структуру \(\гамма\)-железа с внедренными в нее атомами углерода (твердый раствор)!

  Рисунок: Элементарная ячейка аустенита

  Соответственно двухфазная область между линиями ликвидуса и линиями солидуса содержит фазы расплава (L) и аустенита (A).В двухфазной области соответствующие концентрации углерода двух фаз можно определить, как обычно, проводя перпендикулярную линию на ось концентрации. Доли фаз снова определяют с помощью правила рычага .

  В целом при затвердевании сталей имеют место те же основные механизмы, что и при затвердевании твердых растворов. Однако это применимо только до тех пор, пока температуры достаточно высоки и, таким образом, железо находится в гранецентрированном кубическом состоянии.Только тогда углерод полностью растворяется в решетке железа и сплав можно рассматривать как твердый раствор.

  Фаза аустенита существует только при достаточно высоких температурах, пока железо присутствует в гранецентрированной кубической структуре!

  Однако из-за своей аллотропии железо при понижении температуры в конце концов меняет свою гранецентрированную кубическую структуру и превращается в объемноцентрированное кубическое \(\альфа\)-железо. С понижением температуры связано дальнейшее фазовое превращение, которое происходит уже в уже затвердевшей микроструктуре! Более подробно это преобразование будет рассмотрено в следующем разделе.

  Осаждение углерода (\(\гамма\)-\(\альфа\)-превращение)

  Чистое железо меняет свою гранецентрированную кубическую структуру \(\гамма\)-железа, когда температура падает ниже 911 °C, и переходит в объемно-центрированную кубическую структуру \(\альфа\)-железа. В принципе, такое превращение решетки происходит и в присутствии углерода, но при других температурах!

  По мере увеличения содержания углерода это так называемое \(\гамма\)-\(\альфа\)-превращение смещается в сторону более низких температур.Кроме того, углерод заставляет это преобразование решетки происходить в диапазоне температур, а не при термической блокировке при постоянной температуре. Только при содержании углерода 0,8 % \(\альфа\)-железо снова образуется при постоянной температуре, так что ломаные начала и конца \(\гамма\)-\(\альфа\)-превращения совпадают на фазовой диаграмме.

  Присутствие углерода сдвигает \(\гамма\)-\(\альфа\)-превращение в сторону более низких температур!

  Рис.: Линии превращения на фазовой диаграмме железо-углерод (стальная часть)

  В отличие от твердого раствора \(\gamma\)-железа элементарная ячейка объемно-центрированной кубической решетки \(\alpha\)- железо уже занято атомом железа в центре куба.Поэтому \(\альфа\)-железо почти не растворяет углерод. Максимальная растворимость при 723 °C составляет всего 0,02 % и даже падает ниже 0,001 % при комнатной температуре (точный предел растворимости показан на диаграмме зеленой линией сольвуса ). Поэтому для упрощения далее предполагается, что углерод не растворяется в решетке \(\альфа\)-железа.

  Таким образом, атом углерода, ранее внедренный в аустенит, «выдавливается» из структуры решетки при \(\гамма\)-\(\альфа\)-превращении.Таким образом, это почти безуглеродная решетка \(\альфа\)-железа. В отличие от углеродсодержащей объемно-центрированной кубической решетки \(\gamma\)-железа, которую назвали аустенитом, почти свободную от углерода объемно-центрированную кубическую решетку \(\alpha\)-железа также называют феррит .

  Феррит представляет собой почти не содержащую углерода кубическую пространственно-центрированную решетчатую структуру \(\альфа\)-железа!

  Рисунок: Элементарная ячейка феррита

  Стабильная система

  При \(\гамма\)-\(\альфа\)-превращении углерод, уже не растворимый в \(\альфа\)-железе, может в принципе осаждаться из решетки двумя путями.При медленном охлаждении и относительно высоком содержании углерода достаточное количество атомов углерода может собраться вместе, чтобы сформировать собственную гексагональную структуру решетки. В этой модификации решетки углерод также называют графитом .

  Рис. Стабильный и метастабильный углеродный осадок

  . Такому графитовому отложению способствует не только относительно низкая скорость охлаждения, но и специальное ускорение путем добавления кремния. Осаждение углерода в форме графита также называют стабильной системой , поскольку углерод в этой форме больше не может распадаться и, следовательно, стабилен в термодинамическом смысле.

  Микроструктура, затвердевшая по стабильной системе, в основном состоит из железа (Fe) и графита (C). Это относится, в частности, к чугуну!

  Чугун обычно имеет относительно высокое содержание углерода (> 2 %) и поэтому является типичным представителем стабильной системы. Однако некоторые типы чугуна также затвердевают в соответствии с метастабильной системой, описанной ниже. Это относится, в частности, к сталям.

  Метастабильная система

  Если затвердевшая микроструктура больше не охлаждается относительно медленно, а быстрее, и присутствует только небольшое количество углерода, атомы углерода больше не могут присоединяться к общей структуре решетки графита.В этом случае осаждающийся углерод соединяется с тремя атомами железа с образованием соединения карбида железа Fe ₃ C и образует ромбоэдрическую структуру решетки. Это промежуточное (интерметаллическое) соединение карбида железа также называют цементитом .

  Цементит представляет собой относительно твердое, но хрупкое интерметаллическое соединение, состоящее из трех атомов железа и одного атома углерода (Fe ₃ C)!

  Как следует из названия, цементит очень твердый и в значительной степени отвечает за увеличение твердости стали! Осаждение цементита может быть достигнуто не только за счет более быстрого охлаждения, но и за счет специальных добавок, таких как марганец.Осаждение углерода в виде цементита также называют метастабильной системой в термодинамическом смысле, поскольку соединение карбида железа разлагается в термодинамически стабильную форму графита в результате диффузионных процессов при достаточно высоких температурах и достаточно длительном времени отжига.

  В отличие от чугуна, стали обычно имеют относительно низкое содержание углерода (< 2 %) и поэтому являются типичными представителями метастабильной системы.

  Микроструктура, затвердевшая по метастабильной системе, в основном состоит из железа (Fe) и цементита (Fe ₃ C).Это относится, в частности, к сталям!

  В зависимости от выделения углерода в виде графита или цементита полилинии на фазовой диаграмме железо-углерод немного отличаются друг от друга (подробнее об этом в статье о чугуне). Поскольку для сталей особенно важна метастабильная система с выделением цементита, в следующих статьях будет более подробно обсуждаться только эта метастабильная система.

  FFJournal.net | Основные приложения диаграммы железо-углерод

  Короткий путь от термической обработки до закалки стали

  Январь 2012 г.   – Знание основ термообработки стали, представленное в статье в прошлом месяце, дает металлургам основные инструменты для управления структурой металла в соответствии с его назначением.Изменение структуры стали и стальных сплавов путем нагревания материала до 1333,4 градуса по Фаренгейту (723 градуса по Цельсию) является ключом к достижению различных характеристик стали. Эта температура с соответствующими уровнями углерода и структурными преобразованиями известна как фаза железо-углерод.

  Обладая базовыми знаниями, полученными в фазе железо-углерод, можно исследовать различные типы структур, полученных в результате термообработки стали.

  В решетке чистого перлита с 0.83 процента углерода, все зерна превращаются в аустенитные структуры при температуре 1333,4 градуса по Фаренгейту (723 градуса по Цельсию).

  Если содержание углерода составляет менее 0,83 процента, только часть перлита превращается в аустенит. В этом состоянии ферритовая часть остается в основном в виде кристаллов железа в структуре. В результате получается смесь аустенита и феррита. Если содержание углерода превышает 0,83%, вокруг кристаллов образуются оболочки из твердого карбида железа. Эта структура становится смесью аустенита и цементита.В процессе термообработки важно учитывать линию GSE на диаграмме железо-углерод. При температурах выше этой линии все зерна превращаются в аустенит. В этом диапазоне температур сталь состоит из однородной структуры смешанных кристаллов гамма-железа. Сталь становится коррозионностойкой, мягкой и немагнитной.

  Обратное преобразование
  Что означает обратное преобразование при медленном и быстром охлаждении?

  Медленное охлаждение : Исходная зернистая структура восстанавливается после медленного охлаждения.Это происходит в фазах охлаждения, задерживаясь для реструктуризации, а затем продолжается при охлаждении. Технически, в GSK-Line гранецентрированные кристаллы снова превращаются в объемно-центрированные кристаллы.

  Будут ли это зерна феррита, перлита или цементита, зависит от содержания углерода. Ниже 1333,4 градусов по Фаренгейту (723 градуса по Цельсию) все атомы углерода снова освобождаются от гранецентрированной решетки аустенитной зернистой структуры.

  Быстрое охлаждение : С другой стороны, при быстром охлаждении подавляется образование перлитных зерен.Несмотря на то, что форма решетки меняется с гранецентрированной на объемно-центрированную, атомы углерода удерживаются в положениях, которые они уже занимали в аустенитной структуре.

  Поскольку объемно-центрированная альфа-решетка меньше, чем гранецентрированная гамма-решетка, кристаллы искажаются и напрягаются под действием углеродных сил. Результатом напряжения решетки является твердая, хрупкая и игольчатая (игольчатая) структура, известная как мартенсит. В результате получается закаленная сталь.

  Закалка : Это также известно как аустенизация: например, нагрев стали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением.При этом методе достижение максимальной твердости зависит от содержания углерода.

  Процесс закалки состоит из нагрева докрасна и быстрого охлаждения. При нагреве стали до температур выше GSK-Line получается равномерная аустенитная структура (аустенитизация). Затем сталь очень быстро охлаждается, что приводит к трансформации зеренной структуры при сохранении углерода в решетке (образование мартенсита).

  Твердость стали зависит от содержания углерода и от того, могут ли образовываться достаточно твердые и хрупкие мартенситные зерна.Зерна феррита мягкие, зерна перлита с содержанием углерода 0,83%, средней твердости и не очень ковкие, тогда как зерна цементита очень твердые. ФФЖ

  Удо О.Дж. Хафф — независимый консультант с проектным опытом в области машиностроения, сварочной техники, обучения и развития. Он имеет степень магистра образования и бакалавра технических наук Государственного университета Боулинг-Грин. Вопросы или комментарии? Электронная почта [email protected].

  Заинтересованы в приобретении репринтов этой статьи? Щелкните здесь

  Диаграмма железо-углерод

  Для публикации этой статьи или раздела в авторитетном издании необходимы ссылки. Это уведомление было опубликовано 2 марта 2015 г.

  Зона до 6,67% углерода диаграммы метастабильного железо-углеродного равновесия.

  На диаграмме равновесия или диаграмма углерод-железо-фазы (Fe-C) (также диаграмма состояния железо-углерод ) превращения, которые претерпевают представленные стали в углерод с температурой, при условии, что нагрев (или охлаждение) смеси производится очень медленно, чтобы успели завершиться процессы диффузии (гомогенизации).Эта диаграмма получается экспериментально путем определения различными методами критических точек — температур, при которых происходят последовательные превращения.

  Микрокомпоненты

  Чистое железо находится в трех состояниях при повышении температуры от комнатной

  • До 911 °С (критическая температура АС ₃ ) обычное железо кристаллизуется в объемно-центрированной кубической системе и называется α (альфа) железом или ферритом. Это пластичный и ковкий материал, отвечающий за хорошую ковкость сплавов с низким содержанием углерода и ферромагнитный до 770°С (температура Кюри, при которой он теряет это качество; его также часто называют АС ₂ ).Феррит может растворять небольшое количество углерода.
  • Между 911 и 1400 °С он кристаллизуется в «гранецентрированной кубической системе» и называется γ-железом (гамма) или аустенитом. Учитывая большую компактность, аустенит легче деформируется и является парамагнитным.
  • Между 1400 и 1538 °С оно снова кристаллизуется в «объемно-центрированной кубической системе» и называется δ (дельта)-железом, которое по сути является тем же альфа-железом, но с более высоким параметром решетки из-за влияния температуры.

  При более высоких температурах железо находится в жидком состоянии.

  Если к железу добавить углерод, то степень его пластичности увеличится, и его атомы могут просто располагаться в мельчайших местах в кристаллической решетке последнего; однако в сталях он, по-видимому, объединяется с образованием карбида железа (Fe ₃ C), то есть химического соединения, называемого цементитом, так что стали, легированные углеродом, фактически состоят из феррита и цементита.

  Превращение аустенита

  Стальная зона (до 2% углерода) диаграммы метастабильного равновесия железо-углерод.Поскольку в сталях углерод образует карбид железа, по оси абсцисс нанесены весовые проценты углерода и карбида железа (обозначены синим цветом).

  Фазовая диаграмма Fe-C показывает два уникальных состава:

  • Эвтектическая смесь (состав, у которой температура плавления минимальна), называемая ледебуритом и содержащая 4,3 углерода (64,5% цементита). Ледебурит появляется как один из компонентов сплава при содержании углерода более 2 % (область диаграммы не показана) и отвечает за плохую ковкость сплава, обозначая границу между сталями с содержанием углерода менее 2 % (поддающиеся ковке). ) и отливки с более высоким процентным содержанием углерода (не поддающиеся ковке и изготовленные методом литья).Таким образом, наблюдается, что выше критической температуры A ₃ , ^{[примечание 1]} стали состоят только из аустенита, твердого раствора углерода в γ-железе, и поэтому его микроструктура в условиях медленного охлаждения будет зависеть о превращениях, которые он претерпевает.
  • Эвтектоидная смесь в области сталей эквивалентна эвтектике, но находится в твердом состоянии, где температура превращения аустенита минимальна. Эвтектоид содержит 0.80% С (13,5% цементита) и называется перлитом. Он состоит из чередующихся слоев феррита и цементита, его механические свойства занимают промежуточное положение между обоими.

  Наличие эвтектоида позволяет различать два типа стальных сплавов:

  • Доэвтектоидные стали (содержание С менее 0,80%). При охлаждении ниже критической температуры А ₃ феррит начинает выделяться между зернами аустенита и при достижении критической температуры А ₁ оставшийся аустенит превращается в перлит.Поэтому при комнатной температуре получается структура кристаллов перлита, внедренных в ферритовую матрицу.
  • Заэвтектоидные стали (содержание С более 0,80%). При охлаждении ниже критической температуры карбид железа выпадает в осадок, в результате чего кристаллы перлита внедряются в цементитную матрицу при комнатной температуре, так как это термическая обработка и ее температура повышается до этой температуры.

  Прочие микрокомпоненты

  Описанные основные текстуры (перлитные) получены при медленном охлаждении углеродистых сталей, однако, изменяя условия охлаждения (основа термической обработки), можно получить различные кристаллические структуры:

  • Мартенсит является типичным составным элементом закаленных сталей и получается почти мгновенно при закалке аустенита.Это пересыщенный раствор углерода в альфа-железе с тенденцией, чем больше количество углерода, заменять «объемно-центрированную кубическую» структуру «объемно-центрированной тетрагональной» структурой. После цементита (и карбидов других металлов) это самый твердый компонент сталей.
  • Промежуточные скорости охлаждения приводят к образованию бейнита, структуры, похожей на перлит, состоящей из ферритных и цементитных игл, но с большей пластичностью и сопротивлением, чем у первого.
  • Аустенит также можно получить путем быстрого охлаждения сплавов с гаммагенными элементами (которые способствуют стабильности γ-железа), такими как никель и марганец; так обстоит дело, например, с аустенитными нержавеющими сталями.

  В прошлом также были идентифицированы сорбит и троостит, которые на самом деле оказались жемчужинами с очень малым межслоевым расстоянием, поэтому эти названия вышли из употребления.

  Ссылки

  Примечания

  1. ↑ Обычно нижний индекс критической точки сопровождается буквой, указывающей, была ли температура определена во время охлаждения ( r , от французского refroidessement ) или нагревания ( c c c ).