Железо диаграмма – Диаграмма состояния железо-углерод

alexxlab | 01.07.2020 | 0 | Вопросы и ответы

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД – графическое построение в координатах состав (концентрация примеси или примесей) – температура. Для металлических сплавов наиболее широко применяется бинарная диаграмма железо-углерод, которая схематически изображена на рисунке. При большом количестве примесей диаграммы многомерны, например, при добавлении в сталь одного легирующего элемента соответствующая тройная диаграмма состояния является объемной.

Диаграмма состояния железо – углерод приведена на рисунке. Линии на диаграмме отделяют области существования различных жидких и твердых фаз. Диаграмма построена по данным экспериментальных исследований структуры железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов) после (или в процессе) медленного нагрева и охлаждения.

Шкала концентрации углерода на диаграмме доведена только до 6,67% С, т.к. сплавы с большей концентрацией углерода не имеют практического применения.

На диаграмме есть области существования следующих фаз: жидкости (Ж), аустенита (А), цементита (Ц), феррита (Ф).

Жидкий раствор углерода в железе существует при температурах выше линии АВСD на диаграмме, химическое соединение Fe3C (Ц) цементит соответствует правой области диаграммы и составу 6,67% С, в смеси с другими составляющими цементит может существовать на всем поле диаграммы состояния.

Аустенит (А) твердый раствор углерода в g-железе может содержать до 1,7%С и существовать при температурах выше 723° С.

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в a-железе может содержать не более 0,03%С.

Жидкие фазы (аустенит и феррит) при различных температурах могут содержать различное количество углерода.

Проводя на диаграмме вертикаль, соответствующую составу исследуемого сплава, можно определить как качественно, так и количественно фазовый состав сплава при различных температурах.

Превращения при нагреве и охлаждении сталей и чугунов в соответствии с диаграммой состояния можно разделить на безвариантные (нонвариантные), проходящие при постоянной температуре, и одновариантные (моновариантные), происходящие в некотором интервале температур.

К безвариантным превращениям относятся:

По линии HJB на диаграмме феррит и жидкость (расплав) переходят в аустенит (перитектическое превращение).

По линии ECF жидкость превращается жидкости в аустенит и цементит (эвтектическое превращение).

По линии PSK аустенит превращается в феррит и цементит (эвтектоидное превращение).

Безвариантные превращения соответствуют горизонтальным линиям на диаграмме состояния.

Пунктирные горизонтали соответствуют магнитным превращениям в феррите (точка Кюри 770° С, линия МО), когда феррит переходит из ферромагнитного в парамагнитное состояние, и соответствующему переходу в цементите.

Одновариантные превращения соответствуют областям на диаграмме состояния и разделяются на первичные превращения, в которых одна из фаз является жидкостью, и вторичные превращения в твердом состоянии.

Т.к. диаграмма состояния соответствует нагреву и охлаждению в равновесных условиях, на ней нет метастабильной фазы – мартенсита, возникающей при быстром охлаждении (закалке) от температур, выше температуры образования аустенита (723° С).

Выбор режима термической обработки сплавов при научных исследованиях и в технологических процессах основывается на диаграмме состояния железо-углерод.

Лев Миркин

Проверь себя!
Ответь на вопросы викторины «Неизвестные подробности»

Какой музыкальный инструмент не может звучать в закрытом помещении?

www.krugosvet.ru

Л.р.- Диаграмма железо-цементит.51001

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

имени П. А. Соловьева

Кафедра «Материаловедение, литье и сварка»

Методические указания к лабораторной работе

«ДИАГРАММА ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ. СТРУКТУРА СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ»

Для дисциплины

«Материаловедение»

специальности 151001 «Технология машиностроения»

направления 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»

Рассмотрены и утверждены на заседании кафедры МЛС

Протокол № 8 от 25.05.2010 г.

Разработал:

к. т. н., доцент Воздвиженская М. В.

Рыбинск, 2010

ДИАГРАММА ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ. СТРУКТУРА СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

Цель работы:

Познакомиться с диаграммой состояния «железо‑цементит», фазами и структурами, образующимися в этой системе. Изучить структуру доэвтектоидных, эвтектоидной и заэвтектоидных сталей в равновесном состоянии.

1. Общие сведения

1.1. Диаграмма состояния «железо‑цементит»

Диаграмма состояния системы «Fe–C» занимает особое место в металловедении, так как она является базой для анализа формирования структуры самых распространенных промышленных сплавов – сталей и чугунов. Сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14 % углерода называют сталями, содержащие от 2,14 % до 6,67 % углерода – чугунами.

В сплавах железа с углеродом существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная – цементит и стабильная – графит. Поэтому различают две диаграммы состояния: метастабильную – «Fe – Fe

3С» и стабильную – «Fe – C». На диаграмме состояния «железо-цементит» даны фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до 6,67 % углерода, концентрация цементита изменяется от 0 % до 100 % (рис. 1).

На диаграмме «Fe – Fe3С» концентрация углерода (по массе) для характерных точек следующая: Q – 0,006 %, P – 0,02 %, S – 0,8 %, E – 2,14 %, C – 4,3 %, L – 6,67 %.

Перитектический участок вверху слева диаграммы на горизонтали содержит слева направо точки H, J, B. Этот участок мало влияет на структуру и свойства сталей, поэтому его часто не изображают, оставляя только верхнюю точку – А.

Эвтектическая горизонталь ECF соответствует температуре 1147 °С. При данной температуре из жидкости состава С одновременно выделается аустенит состава Е и первичный цементит концентрации F; формируется эвтектика – ледебурит. Над этой горизонталью находится линия ликвидуса – AC и 

CD, первая соответствует началу выделения из жидкости аустенита, вторая – выделению из жидкости первичного цементита. К краю эвтектической горизонтали приходит линия солидуса AE, она соответствует полному затвердеванию расплава.

Рис. 1. Диаграмма состояния «Fe – Fe3С»

Линию GS, соответствующую окончанию превращения феррита в аустенит при нагреве обозначают АС3. При охлаждении аустенита и начале его превращения в феррит линию GS обозначают Аr3.

Линия SE показывает начало образования в аустените вторичного цементита при охлаждении стали, т. е. это линия предельной растворимости углерода в аустените. Линия обозначается Аcm.

При температуре 727 °С происходит эвтектоидное превращение – это одновременное выделение двух твердых фаз из исходной твердой фазы: высокотемпературная фаза аустенит состава S распадается одновременно на цементит состава в точке E и феррит состава в точке P, температура сплава остается постоянной до окончания эвтектоидного превращения. Формируется эвтектоид – перлит, среднее содержание углерода в перлите составляет 0,8 %. Линию

PSK называют – эвтектоидная горизонталь и обозначают – АС1.

При концентрации углерода от 0 % до 0,8 % стали называют доэвтектодные стали, при концентрации углерода ровно 0,8 % – эвтектоидные стали, при большей концентрации от 0,8 % до 2,14 % – заэвтектоидные стали. Если углерода менее 0,02 %, то такой сплав называют техническим железом. Выделение третичного цементита при температурах ниже линии PQ, резко снижает пластичность стали по сравнению с чистым ферритом состава Q.

При температуре 1147 °С в системе «железо-цементит» образуется эвтектика, линия ECF – эвтектическая горизонталь. Эвтектику называют ледебурит. Ледебурит состоит из аустенита и цементита. Следует понимать, что аустенит, входящий в состав чугунов, как в первичных дендритах, так и в ледебурите, также распадается на феррит и цементит. Поэтому при температуре ниже 727 °С все сплавы углерода состоят из феррита и цементита. Чугуны, содержащие от 2,14 % до 4,3 % С называют доэвтектические чугуны, с концентрацией углерода ровно 4,3 % – эвтектические чугуны,  с концентрацией углерода от 4,3 % до 6,67 % – заэвтектические чугуны.

1.2. Фазы и структуры в системе «железо‑углерод»

При атмосферном давлении железо может находится в двух модификациях: низкотемпературная модификация -Fe с ОЦК решеткой существует до 910 С, выше этой температуры образуется модификация -Fe, которая имеет ОЦК решетку. Углерод образует твердые растворы внедрения на базе полиморфных модификаций железа.

Феррит – твердый раствор углерода в -Fe (от лат. ferrum – железо). Феррит – малопрочная и пластичная фаза, так как представляет собой почти чистое железо, при комнатной температуре растворимость углерода в -Fe не превышает 0,005 %, при температуре 727 °С составляет 0,02 %.

Аустенит (по имени английского ученого Робертс-Аустена) –  это высокотемпературная пластичная фаза с невысокой прочностью, представляет собой твердый раствор углерода в ‑Fe с ГЦК решеткой, при температуре 727 °С растворимость углерода в аустените составляет 0,8 %, предельная растворимость углерода в аустените достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. При медленном охлаждении аустенит распадается на перлит.

Цементит – карбид железа Fe3С, фаза с высокой твердостью, но хрупкая. В обычных условиях кристаллизации в двойных сплавах железа с углеродом соединение Fe3C является достаточно стабильным и может существовать без изменений как угодно долгое время. Но, при длительных выдержках в интервале температур 650 – 730 С или при введении графитизирующих добавок, соединение Fe3C распадается с образованием графита и железа.

Перлит – это структура, которая образуется при эвтектоидном превращении аустенита при среднем содержании углерода 0,8 %; обычно перлит состоит из чередующихся тонких пластинок феррита и цементита, обладает средней прочностью и невысокой твердостью (рис. 2). Эвтектоидные колонии зарождаются на границах зерен аустенита, по окончании эвтектоидного распада на месте каждого аустенитного зерна оказывается несколько колоний перлита. Образование перлита – это диффузионный процесс: 0,8 % C в аустените за счет диффузии перераспределяются в соответствии с диаграммой состояния, 0,02 % C находится в феррите и 6,67 % C – в цементите. Полированная и протравленная поверхность шлифа приобретает перламутровый оттенок, поэтому эвтектоидная смесь феррита с цементитом получила название перлит (от лат. pearl – жемчужина).

а) б)

Рис. 2. Микроснимок структуры (а) и схематический разрез (б) колонии перлита

Чем выше скорость охлаждения аустенита, тем мельче пластины эвтектоидной смеси, такие структуры получили отдельные названия сорбит и троостит, соответственно.

При дальнейшем увеличении скорости охлаждения диффузионный распад на феррито-цементитную смесь не успевает произойти. В результате бездиффузионного превращения аустенита образуется очень твердая, хрупкая фаза мартенсит с игольчатой структурой (рис. 3, а,б).

Рис. 3. Микроструктура аустенита (а) и мартенсита (б), 500

В соответствии с диаграммой состояния стали делятся на доэвтектоидные (до 0,8 % углерода), эвтектоидные и заэвтектоидные (свыше 0,8 % углерода). Эти группы отличаются структурой, свойствами и назначением.

Микроструктура доэвтектоидной стали с концентрацией углерода от 0 % до 0,005 % представляет собой феррит (рис. 4, а). Микроструктура доэвтектоидной стали с концентрацией углерода 0,2 % – 0,3 % представляет собой смесь зерен феррита и перлита, при повышении концентрации углерода до 0,45 % – 0,55 %, зерна феррита в виде хлопьев располагаются по границам исходного аустенитного зерна и окружают колонии перлита (рис. 4, б).

Эвтектоидная сталь с концентрацией углерода 0,8 % имеет структуру перлита (рис. 4, в), заэвтектоидная сталь с 1,1 % углерода представляет собой колонии перлита, окруженные по границам тонкой светлой сеткой вторичного цементита (рис. 4, г).

Рис. 4. Микроструктура феррита (а), доэвтектоидной стали с концентрацией углерода 0,45 % – 0,55 % (б), эвтектоидной стали с концентрацией углерода 0,8 % (в), заэвтектоидной стали с концентрацией углерода 1,1 % – 1,3 % (г), 500

  1. СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛОНЕНИЯ РАБОТЫ

Образец 1. Сталь 20 (0,24 % С)доэвтектоидная углеродистая конструкционная качественная сталь.

Микроструктура стали 20 в отожженном состоянии состоит из зерен феррита и перлита. Перлит занимает около 25 % площади шлифа (рис. 5). Сталь имеет невысокую прочность (НВ 163).

Х 200 Х 1500

Рис. 5. Микроструктура стали 20: феррит и перлит

Эта сталь относится к низкоуглеродистым, она пластичная, хорошо сваривается и штампуется. Для увеличения поверхностной прочности эту сталь цементуют (насыщают поверхность углеродом) и применяют для деталей небольшого размера, например, зубчатых колес, кулачков. За счет твердого поверхностного слоя резко возрастает износостойкость изделий, а сердцевина при этом становится пластичной и вязкой.

Образец 2. Сталь 60 (0,62 %) – доэвтектоидная углеродистая конструкционная качественная сталь. Это среднеуглеродистая термоулучшаемая сталь. Структура стали состоит из перлитных зерен, окруженных ферритной оторочкою. Перлит занимает около 75 % площади шлифа. В связи с большим содержанием углерода сталь 60 имеет более высокую твердость и прочность, чем сталь 20 (НВ 240). Стали 55,60, 70 применяют в качестве рессорно-пружинных материалов. Термическая обработка состоит из закалки и среднего отпуска, структура троостит отпуска.

Образец 3. Сталь У8 (0,76 %) – эвтектоидная углеродистая инструментальная качественная сталь.

Сталь эвтектоидная и поэтому должна иметь чисто перлитную структуру. Однако фактическое содержание углерода 0,76 % немного меньше эвтектоидного, что проявляется в небольшом количестве светлых выделений феррита. На микроструктуре хорошо заметно, что перлит – сложная составляющая, состоящая из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Темные пластинки, видимые в перлите – тени, отбрасываемые пластинками цементита после травления. Поэтому при небольших увеличениях перлит кажется сплошной темной массой, хотя в действительности образующие его феррит и цементит являются светлыми. Эта сталь в отожженном состоянии имеет следующие свойства:НВ 250.

Сталь У8 – инструментальная сталь и подвергается термической обработке, состоящей из закалки и низкого отпуска, после которой она приобретает твердость НRC 62-64. Основное назначение стали – измерительный инструмент.

Образец 4. Сталь У12 (1,15 %) – заэвтектоидная углеродистая инструментальная качественная сталь.

Ее структура состоит из перлитных зерен, которые окружены светлой сеткой вторичного цементита. В отожженном состоянии сталь имеет следующие свойства: НВ 260.

Инструмент из этой стали подвергается закалке и низкому отпуску, сталь приобретает твердость HRC 63-65. Сталь применяют для измерительного инструмента и для режущего инструмента с температурой на режущей кромке не более 180 °С.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ

  1. Зарисуйте диаграмму состояния Fe-Fe3C.

  2. В координатах температура-время схематично вычертите кривые охлаждения для сталей с содержанием углерода 0,2 % С; 0,6 % С; 0,8 % С и 1,2 % С. Укажите превращения, проходящие в сталях при охлаждении их из жидкого состояния до комнатной температуры.

  3. Изучите и зарисуйте микроструктуры углеродистых сталей в отожженном состоянии: сталь 20, сталь 60, У8 и У12. Выпишите их механические свойства и назначение.

  4. Определите по микроструктуре примерное содержание углерода для одного из образцов доэвтектоидной стали и установите марку этой стали.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1. Дайте определение феррита, аустенита, цементита и перлита. Какими свойствами они обладают?

  2. В чем различие между микроструктурами доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталью в отожженном состоянии?

  3. Как меняются структуры и свойства у доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей с увеличением содержания углерода?

  4. Каким путем достигается равновесное состояние стали?

  5. Как по структуре можно ориентировочно определить содержание углерода в стали?

  6. Чем отличаются структура и свойства стали 20 и стали 60 в отожженном состоянии?

studfiles.net

Анализ диаграммы железо – цементит


⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 34Следующая ⇒

5.1. Цель работы:

5.1.1. Изучить линии, точки, области и фазы диаграммы железо-цементит.

5.1.2. Научиться по диа­грамме состояния устанавливать, какие процессы происходят в сплавах при их охлаждении или нагревании с различным содержанием углерода, какие при этом образуются фазы и структурные составляющие.

5.1.3. Научиться анализировать процессы фазовых превращений в зависимости от изменения температуры сплава.

5.1.4. Научиться определять состав фаз, т.е. процентное содержание количество углерода в фазах и количественное соотношение.

Основные теоретические сведения

Металлический сплав получают сплавлением двух или более элементов. В технике широко применяют сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, хромом, никелем и другими веществами.

Элементы - металлы и неметаллы, образующие сплав, называются компонентами.

Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением.

Фаза - это однородная по химическому составу, строению, свойствам часть сплава, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяется скачком.

Сплавы могут составлять следующие элементы структуры: механические смеси, твердые растворы и химические соединения.

Твердые растворы образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку одного компонента атомов другого компонента. Твердые растворы бывают двух типов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

При образовании химических соединений компоненты вступают в химическое взаимодействие. К химическим соединениям относят карбиды, оксиды, сульфиды и др.

Механические смеси представляют собой смесь двух фаз, когда отсутствует взаимодействие между компонентами, нет взаимного растворения, компоненты не вступают в химические реакции и их кристаллические решетки различны.

Процесс кристаллизации сплавов и связанные с ним закономерности строения сплавов изучают по диаграммам состояния. Диаграммы состояния - это графические изображения, показывающие в условиях равновесия фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и химической концентрации компонентов.

Под равновесным состоянием сплава понимают такое состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве происходят полностью в соответствии с диаграммой состояния. Такое состояние наступает при медленном охлаждении сплава. По диаграммам состояния можно определить число фаз в сплавах, относительное количество каждой фазы, ее состав и природу: компоненты, твердый раствор, химическое соединение, определить температуры плавления, затвердевания и аллотропических превращений в сплавах.

Диаграммы состояния строят на основании результатов термического анализа, при котором для сплавов различного состава вычерчивают кривые охлаждения в координатах температура – время. На кривых охлаждения каждого сплава фиксируют температуры фазовых превращений (критические точки). Затем критические точки различных сплавов переносят на диаграмму состояния, которую строят в координатах температура – концентрация. Точки, соответствующие температурам начала и конца кристаллизации, температурам фазовых превращений, соединяют плавными кривыми.

 

Правило фаз

При рассмотрении процессов превращения в диаграммах равновесного состояния сплавов широко применяется так называемое «правило фаз», дающее возможность проверить правильность построения диаграмм и теоретически обосновать направление протекания процессов превращения для установления равновесного состояния системы, которое определяется следующими переменными факторами: температурой, давлением и составом фаз системы (концентрацией).

Число переменных величин (концентрация фаз, температура, давление), которые могут изменяться независимо друг от друга, называется числом степеней свободы или вариантностью системы.

Число степеней свободы зависит от количества компонентов, числа фаз в системе и переменных внешних условий - температуры и давления. Так как давление в практических условиях изменяется в небольших пределах, не оказывая существенного влияния на процессы превращения, то основным переменным фактором является только температура и тогда уравнение «правила фаз Гиббса» имеет вид

где С ≥ 0 - число степеней свободы (вариантность системы), К – число компонентов в системе, Ф - количество фаз, находящихся в равновесии при рассматриваемых условиях.

Если число степеней свободы системы равно нулю (С = 0), то такое равновесие называют нонвариантным (безвариантным). Это означает, что сплав с данным числом фаз может существовать только при определенных условиях: при постоянной температуре и определенной концентрации всех находящихся в равновесии фаз. Если С = 1, то такая система называется моновариантной (одновариантной), т. е. чтобы не нарушилось равновесное состояние фаз, можно изменить либо концентрацию фаз, либо температуру. Когда С = 2, система бивариантна (двухвариантна). Наличие одной или двух степеней свободы позволяет изменять одну или две переменных без изменения числа фаз. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представление о строении основных конструкционных сплавов - сталей и чугунов.

Диаграмма железо-цементит (рис.5.1) служит основой для уяснения процессов, происходящих при нагревании или охлаждении железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов). На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температуры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит.

В таблице 5.1 приведена характеристика структурных составляющих железоуглеродистых сплавов.

Анализ диаграммы в настоящей работе проводится по упрощенной диаграмме без ее левого верхнего уголка. При анализе рассматриваются линии и точки диаграммы (табл.5.2 и 5.3), применяются правила фаз и отрезков.

ЛинияACD - линия ликвидус,начала кристаллизации. ЛинияAECFсолидус,конца кристаллизации, ниже которой все сплавы находятся в твердом состоянии и при дальнейшем охлаждении происходят только процессы, связанные с изменением растворимости углерода в Feaи Feg, а также процессы, которые обусловливаются аллотропическим (поли- морфным) превращением железа. Выше линииАСD все сплавы находятся в жидком состоянии и число степеней свободы С= К – Ф + 1 = 2 – 1 + 1 = 2 (рис. 5. 1). Это значит, что сплавы можно нагревать и охлаждать, менять их концентрацию и они остаются жидкими в состоянии равновесия. Между линиямиАС и АЕС и линиямиСDи CF сплавы двухфазны, состоят из твердой фазы и жидкости, и при этом число степеней свободы равно

С = 2 - 2 + 1 = 1 (табл. 5.2).

Из вышеуказанного следует, что система в данных областях располагает одной степенью свободы и для сохранения ее равновесия можно менять лишь один фактор равновесия - либо температуру, либо концентрацию.

 
 

Рис. 5.1. Диаграмма состояния железо – цементит

Таблица 5.1


Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

Диаграмма состояния системы железо – хром (Fe-Cr) :: Диаграммы сплавов

Диаграмма состояния системы железо – хром (Fe-Cr) :: Диаграммы сплавов

 

Диаграмма состояния в обобщенном виде по данным  приведена на рис.  На кривых ликвидус и солидус при 22 % (ат.) Сr и 1507 °С наблюдается минимум. Хром стабилизирует о. ц. к. модификации железа и образует с этими модификациями непрерывные ряды твердых растворов. Область твердых растворов хрома в г. ц. к. модификации железа сравнительно узкая и простирается до 13,3 % (ат.) Сr. Хром снижает температуру полиморфного α↔γ-превращения железа от 910 до 830 °С при содержании ~7,5 % (ат.). При дальнейшем увеличении содержания хрома эта температура резко возрастает. При содержании в сплавах —50% (ат.) Сr и температуре ~815°С происходит фазовая перекристаллизация α-твердого раствора с образованием так называемой α-фазы. Реакция α ↔ σ  протекает крайне медленно, и необходимы продолжительные выдержки для ее завершения. Фаза σ обладает сложной тетрагональной структурой с 30 атомами в элементарной ячейке и обычно образуется в системах - на основе переходных металлов. Фазы σ, как правило, обладают достаточно широкими областями гомогенности. В системе железо — Хром эта область при 600 °С простирается от 43 до 49 % (ат.) Сr. Периоды решетки σ-фазы а=0,880 нм, с=0,5444 нм и мало изменяются в пределах области гомогенности. Минимум на кривых плавкости отвечает содержанию 21 % (ат.) Сr и температуре 1510°С. При содержании 0,001 % (по массе) С и 0,002 % (по массе) N также при изменении концентрации углерода и азота в указанных пределах несколько смещается в сторону увеличения содержания хрома (на 0,7—0,8 %) положение γ/(α+γ)- и (α+γ)/α-границ двухфазной области, разделяющей γ- и α-твердые растворы.

 

Источники:

  1. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. Банных О. А., Будберг П.Б., Алисова С. П. и др. Металлургия, 1986 г.
  2. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди. под ред. Шухардина С.В. Наука, 1979 г.
  3. Диаграммы состояния двойных металлических систем ред. Лякишева Н.П.Машиностроение, 1996-2000 г.

markmet.ru

ДИАГРАММА ЖЕЛЕЗО УГЛЕРОД ЛИНИИ И ТОЧКИ

ДИАГРАММА ЖЕЛЕЗО УГЛЕРОД

ЛИНИИ И ТОЧКИ • • • • А температура плавления чистого железа (1539 °С) Д температура плавления цементита (ТL ~ 1250°С) N Т( ) = 1392°С полиморфные G T( ) = 911°С превращения АВСCD линия ликвидуса (начало первичной кристаллизации). АHJЕCF – линия солидус (окончание первичной кристаллизации). HJB – перитектическая горизонталь (1499 0 С). ECF эвтектическая горизонталь (1147 0 С). PSK эвтектоидная горизонталь (727 0 С), линия окончания вторичной кристаллизации у сталей, линия перекристаллизации чугунов, точки А 1 для сплавов. GSE – линия начала вторичной кристаллизации у сталей, точки А 3 для сплавов. SE линия предельной растворимости углерода в Fe NH и NJ начало и конец полиморфного превращения высокотемпературного феррита в аустенит (и аустенита в феррит), точки А 4 для сплавов. PQ линия предельной растворимости углерода в Fe. Эвтектика (точка С) – механическая смесь, образующаяся при кристаллизации жидкого раствора. Эвтектоид (точка S) – механическая смесь, образующаяся при распаде твердого раствора. Перитектика (точка J) – твердый раствор

• Феррит твердый раствор внедрения углерода в (ОЦК) железе. Различают низкотемпературный (Fе ) и высокотемпературный (Fe ) феррит. Феррит, является твердым раствором внедрения. Атомы углерода располагаются в решетке Fe в межузлиях. Из за малых размеров этих пор в ОЦК решетке (0, 291 r, где r радиус атома железа) значительная часть атомов углерода располагается на дефектах (вакансиях, дислокациях). Этим объясняется малая растворимость углерода в Fe. Максимальная концентрация углерода в феррите 0, 02 % при 727°С, а при комнатной температуре 0, 006 %. • Феррит мягок и пластичен. Он имеет следующие механические свойства: • в = 250 МПА; о, 2 = 120 МПА; = 50 %; = 70 %; • KCU = 2, 5 МДж/м 2; НВ = 80 кгс/мм 2. • Так же, как и Fe, феррит магнитен до 768 °С. • Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных светлых зерен. Обозначают феррит буквой Ф (либо Fe).

• Аустенит твердый раствор внедрения углерода в (ГЦК) железе. Кристаллическая решетка аустенита ГЦК. Размер пор в ГЦК решетке почти в 2 раза больше, чем в ОЦК решетке. Поэтому растворимость углерода в Fe больше, чем в Fe. Максимальная концентрация углерода в аустените 2, 14 % при 1147 °С и 0, 8 % при 727 °С. Аустенит, так же как и Fe, немагнитен (парамагнитен). Аустенит пластичен = 40 50 %, НВ = 160 200 кгс/мм 2. Обозначают аустенит буквой А (либо фаза). Аустенит имеет пластинчатое строение с прямыми границами.

• Цементит химическое соединение Fe 3 С и содержит 6, 67% С (карбид железа). Кристаллическая решетка цементита сложная. Он тверд (НВ=800 кгс/мм 2), легко царапает стекло и хрупок. Условно температуру плавления цементита считают ~ 1600°С, хотя он до этого не доходит и распадается на железо и графит. Обозначают це ментит буквой Ц (или Fe 3 С).

• Перлит – механическая эвтектоидная смесь феррита и цементита, содержит 0, 8%С. Образуется из аустенита при температуре Т=727 0 С. • = 25 %; НВ = 250 кгс/мм 2. • Под микроскопом перлит выглядит в виде зерен с пластинчатым или зернистым чередованием феррита и цементита. Обозначают перлит буквой П.

• Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита (после первичной кристаллизации) либо перлита и цементита (после перекристаллизации). Содержит 4, 3%С. • = 1 %; НВ = 600 кгс/мм 2. • Под микроскопом перлит выглядит в виде зерен с серыми зернами перлита на белом фоне цементита. Обозначают перлит буквой Л.

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

Микроструктура белого чугуна при 500 х 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

• Стали классифицируют по структуре в зависимости от содержания углерода: • сталь с С = 0, 8 % _ эвтектоидная сталь, • сталь с С 0, 8 % _ заэвтектоидная сталь • Белые чугуны по содержанию углерода делят на: • доэвтектические (С 4, 3 %) • Первичная кристаллизация белых чугунов происходит при 1147°С. Перекристаллизация – при 727 0 С.

Влияние содержания углерода на механические свойства стали

• Постоянными примесями сталей считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород), в разных концентрациях присутствующие в технических сортах стали. • Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами: 0, 8% Mn; 0, 5% Si; 0, 005% Р; 0, 05% S.

• Марганец Mn. Его вводят в сталь для раскисления для устранения вредных окисей железа: Fe. O + Mn → Mn. O + Fe. Марганец также устраняет вредные сернистые соединения железа (сульфид железа) в стали: Fe. S + Mn → Mn. S + Fe. • Кремний Si. Влияние начальных присадок кремния аналогично влиянию марганца. Кремний раскисляет сталь по реакции: 2 Fe. O + Si → 2 Fe + Si. O 2. Кремний структурно не обнаруживается, т. к. полностью растворим в феррите, кроме той части, которая в виде окиси не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

• Фосфор. Растворимость фосфора в α– железе достигает 1, 2% (диаграмма с ограниченной растворимостью). Растворяясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние – порог хладноломкости. При содержании фосфора 0, 005% порог хладноломкости составляет ( 80 0 С), а при 0, 21% Р – (+100 0 С).

• Сера S. Она попадает в металл из руд, а также из печных газов – продуктов горения топлива (SO 2). Содержание серы в высококачественных сталях не должно превышать 0, 02– 0, 03%, для стали обычного качества допускается повышенное содержание – 0, 03 0, 4%. Сера нерастворима в железе (диаграмма с эвтектикой) и любое ее количество образует с железом сернистое соединение – сульфид железа Fe. S, который входит в состав эвтектики, образующейся при 9880 С. Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной по границам зерен, делает сталь хрупкой при 800 0 С и выше, т. е. при температурах красного каления, т. е. порог красноломкости.

Сернистые соединения: а – в виде оторочек по границам зерен, х100; б – в виде обособленных включений, х100; в – в виде сульфида марганца, х500

Газы. Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства. Содержание этих веществ определяют, расплавляя пробу металла в вакууме и измеряя количество газов, выделившихся из жидкого металла. Повышенное содержание водорода приводит к опасным внутренним микротрещинам (флокенам). Оксиды и нитриды являются хрупкими соединениями и соответственно ухудшают свойства стали. Оптимальным средством уменьшения газов служит выплавка или разливка стали в вакууме.

present5.com

Диаграмма состояния системы железо – углерод. - 13 Сентября 2011 - Технологии


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


2. Феррит (Ф, α) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе (от латинского слова ferrum – железо).

Различают низкотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727 °С (точка P) и высокотемпературный δ-феррит (в интервале температур 1392…1539 °С) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499 °С (точка J).
Свойства феррита близки к свойствам железа.

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


3. Аустенит (А, γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо (по имени английского ученого Р. Аустена).
Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14 % при температуре 1147 °С (точка Е).
Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ =40…50 %), 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, цементит вторичный, цементит третичный.

Химические и физические свойства этих фаз одинаковы.

Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений.

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов.

Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита).

Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.


5. Графит – характеристика дана выше.

Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо – цементит и железо – графит.

 

Первая диаграмма (Fе — Fе3С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе – С)- графитной (стабильная).

 

Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат – температура – содержание углерода (рис. 1).

 

Диаграмма состояния системы железо – углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными разных стран.
Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова.

Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части.
Буквенное обозначение узловых точек в диаграмме является общепринятым как в России, так и за рубежом.



Рис. 1. Общий вид диаграммы состояния системы железо – углерод
 

СИСТЕМА ЖЕЛЕЗО — ЦЕМЕНТИТ (Fe — Fе3С)

 

Диаграмма состояния системы железо – цементит изображена на рис. 2.
Данные о точках диаграммы приведены в табл. 1.
Имеющиеся во всех областях диаграммы фазы видны на рис. 2.



Рис. 2. Диаграмма состояния системы железо – цементит

Ликвидус по всей диаграмме проходит по линиям АВ, ВС, СD; солидус – по линиям АН, НJ, JЕ, ЕСF.

 

Сплавы железа с углеродом обычно делят на стали и чугуны.

Условной границей для такого деления является 2,14 % С (точка E).

Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % – к чугунам.


Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, обозначаются буквой А.


В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс с (от слова chauffage – нагрев) при нагреве и индекс r (от слова refroidissement – охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.


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

 

Таблица 1.Узловые точки диаграммы состояния системы Fе — Fе3С.

Обозначение точки

t,°С

С,%

Значение точки

А

1539

0

Плавление (кристаллизация)

чистого железа

N

1392

0

Полиморфное превращение

δ↔ γ в чистом железе

G

911

0

Полиморфное превращение

α↔ γ в чистом железе

Н

1499

0,1

δ-твердый раствор, предельно

насыщенный углеродом.

Участвует в перитектическом превращении

J (I)

1499

0,16

Аустенит, возникающий в

результате перитектического превращения

В

1499

0,51

Жидкая фаза, участвующая в

перитектическом превращении

D

1260

6,67

Предполагаемая температура

плавления Fе3С

Е

1147

2,14

Аустенит, предельно

насыщенный углеродом

С

1147

4,3

Жидкая фаза, испытывающая

эвтектическое превращение

F

1147

6,67

P

727

0,02

Феррит, предельно

насыщенный углеродом

S

727

0,8

Аустенит, испытывающий

эвтектоидное превращение

K

727

6,67

Q

20

0,006

Феррит, предельно

насыщенный углеродом


Прежде чем перейти к непосредственному разбору на конкретных примерах процессов фазовых превращений, совершающихся в различных сплавах при их охлаждении и нагреве, необходимо сделать следующие замечания.


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


*Составы фаз при любой температуре удовлетворяют значениям, определяемым по сопряженным кривым только при условии установившегося физико-химического равновесия и при наличии плоской границы раздела фаз, т. е. при бесконечно большом радиусе кривизны этой поверхности.

 

*Если же поверхности раздела контактирующих фаз имеют иной (меньший) радиус кривизны, то создаются иные условия равновесия, в связи с чем изменяется взаимный ход соответствующей сопряженной пары кривых...

lmx.ucoz.ru

Диаграмма состояния системы железо углерод является одной из важнейших диаграмм двойных систем, потому что наиболее распространенные в технике сплавы стали (стр. 1 из 9)

Введение

Диаграмма состояния системы железо - углерод является одной из важнейших диаграмм двойных систем, потому что наиболее распространенные в технике сплавы - стали и чугуны - представляют собой сплавы железа с углеродом. В состав сталей и чугунов, кроме углерода, входят кремний, марганец и другие элементы, но углерод является основным компонентом, оказывающим влияние на структуру и свойства железных сплавов.

Следует отметить, что в учебниках по металловедению разных авторов и разных лет издания, которыми пользуются студенты, координаты некоторых основных точек диаграммы несколько отличаются друг от друга по содержанию углерода и по температуре. Это связано с тем, что с течением времени в научной литературе периодически появляются публикации по исследованию отдельных участков диаграммы, уточняющие положение точек и линий диаграммы. Однако эти уточнения обычно невелики, не меняют давно установленного общего начертания диаграммы состояния железо - углерод и не вносят каких-либо принципиальных изменений в понимание фазовых превращений в сплавах и их структуры.

Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – Fe3 C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 5 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего 6,67 % углерода.

1. Компоненты и фазы в системе железо-углерод

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железоd - переходный металл серебристо-светлого цвета. Температура плавления – 1539° С. Удельный вес равен 7,86 г/см3.

Наиболее существенной особенностью железа является его полиморфизм. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях - a и γ. Полиморфные превращения происходят при температурах 911° С и 1392° С. При температуре ниже 911° С и выше 1392° С существует Fea (или α-Fе) с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392° С устойчивым является Feγ (или γ-Fе) с гранецентрированной кубической решеткой. При превращении α→γ наблюдается уменьшение объема, так как решетка γ-Fе имеет более плотную упаковку атомов, чем решетка α-Fе. При охлаждении во время превращения γ→α наблюдается увеличение объема. В интервале температур 1392…1539° С высокотемпературное Fea называют Feδ . Высокотемпературная модификация Fea не представляет собой новой аллотропической формы.

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

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

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

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

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3 C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe3 C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Более точные исследования показали, что цементит может иметь переменную концентрацию углерода. Однако в дальнейшем, при разборе диаграммы состояния, сделаем допущение, что Fе3 С имеет постоянный состав. Кристаллическая решетка цементита ромбическая, удельный вес 7,82 г/см3 (очень близок к удельному весу железа). При высоких температурах цементит диссоциирует, поэтому температура его плавления неясна и проставляется ориентировочно – 1260° С.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 210° С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

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

Если графит является стабильной фазой, то цементит – это метастабильная фаза.

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

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

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

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

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

3. Аустенит (А, γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ –железо (по имени английского ученого Р. Аустена). Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в γ -железе 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е). Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ =40…50 %), 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, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

5. Графит - характеристика дана выше.

Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо - цементит и железо - графит. Первая диаграмма (Fе — Fе3 С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе - С) - графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура - содержание углерода (рис. 1). Диаграмма состояния системы железо - углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран.

Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова. Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части.

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

Рис. 1. Общий вид диаграммы состояния системы железо - углерод.

2. Система железо — цементит ( Fe F е3 С)

Диаграмма состояния системы железо - цементит изображена на рис. 2. Данные о точках диаграммы приведены в табл. 1.

Рис. 2. Диаграмма состояния системы железо - цементит.

Имеющиеся во всех областях диаграммы фазы видны на рис. 2. Значение всех линий указано в табл. 2.

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

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

mirznanii.com

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о