Диаграмма состояния железо углерод для чайников

Диаграмма состояния железо-углерод дает представление о строении углеродистых сплавов – сталей и чугунов (упрощенный вариант диаграммы показан на рисунке 4.1). Первое представление о диаграмме дал Д. К. Чернов еще в 1868г.

Содержание углерода в железе ограничивается 6,67%, так как при этой концентрации образуется химическое соединение – карбид железа (3С) или как его чаще называют – цементит.

Цементит и является вторым компонентом диаграммы.

Точка А (1539 о С) соответствует температуре плавления чистого железа. Точка D (1500 о С) – температуре плавления цементита.

Для построения диаграммы необходимо знать ее области, линии, температуры, концентрации.

Помимо двух указанных выше концентраций и температур, необходимо помнить ряд других.

Для линии ликвидуса характерными являются также точки:

В (0,51%С, 1490 о С), С (4,3%С, 1147 о С).

Для линии солидуса характерными являются точки:

Е (2,14%С – предельное состояние углерода в аустените, 1147 о С), С (4,3%С, 1147 о С), F (6,67%С, 1147 о С).

Для линии полиморфного превращения характерными являются точки: G (910 о С), S (0,8%С, 727 о С), Е.

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой: жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит, и свободный углерод в виде графита.

Феррит – это твердый раствор внедрения углерода в альфа железо. Имеет ОЦК решетку.

Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите всего лишь 0,02%, в высокотемпературном 0,1%. Столь низкая растворимость углерода в Feα обусловлена малым размером межатомных пустот в ОЦК решетке. Атомы углерода размещаются в дефектах кристаллической решетки – вакансиях и дислокациях.

Феррит мягкая пластическая фаза.

Феррит – это твердый раствор внедрения углерода в альфа железо. Имеет ОЦК решетку.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Feγ.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Feγ.

Он имеет ГЦК решетку, межатомные пустоты которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Feγ значительно больше и достигает 2,14%.

Аустенит пластичен, но прочнее феррита.

Цементит – карбид железа Fe3C, содержит 6,67% С и имеет сложную ромбическую решетку. Цементит тверд и хрупок.

Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых спла вах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Электропроводен, химически стоек. Малопрочен, мягок.

Эвтектоидную смесь, состоящую из феррита и цементита, называют перлитом. Перлит имеет пластинчатое строение, кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита.

Смесь перлита и цементита называют ледебуритом.

В зависимости от содержания углерода в системе (Fe-С) имеются две большие группы сплавов: стали и чугуны.

Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С. Сплавы с большим содержанием углерода называют чугунами.

Сталь, содержащую 0,8% С, называют эвтектоидной.

Если в стали углерода менее 0,8%, то сталь называют доэвтектоидной, а при содержании углерода более 0,8% – заэвтектоидной.

Структура доэвтектоидной стали состоит из феррита (светлая составляющая) и перлита (темная составляющая).

Структура эвтектоидной стали состоит только из перлита.

Структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и цементита вторичного.

Чугун, содержащий 4,3% С, называют эвтектическим.

Чугун с меньшим содержанием углерода – доэвтектическим.

Чугун с большим содержанием углерода – заэвтектическим.

Эвтектический чугун состоит только из ледебурита.

Доэвтектический – из перлита и ледебурита.

Заэвтектический – из первичного цементита и ледебурита.

Дата добавления: 2016-02-02 ; просмотров: 818 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

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 (Fe 3C) или металлов с металлами (CuAl 2, CuNi). Они обладают конкретными физико — механическими свойствами. Например, цементит (Fe 3C) 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.

Читайте также:  Паспорт токарно револьверного станка

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 эвтектико й . 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:

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.

Читайте также:  Кожаный чехол на топор

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

При охлаждении доэвтектоидных сталей ( С

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.

При изучении структуры чугуна и стали строят диаграммы состояния – графические изображения, дающие наглядное представление о кристаллизации и превращениях, совершающихся при их нагреве и охлаждении.

Процесс кристаллизации зависит от того, какие фазы образуются из жидкого раствора сплава.

Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей поверхностью раздела. Фазы делятся на твердые, жидкие и газообразные. Фазами могут быть чистые элементы, химические соединения, твердые и жидкие растворы и пары. Природа образующихся фаз определяет вид диаграммы состояния. Процесс кристаллизации подчиняется правилу фаз, которое показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур и какое количество фаз может одновременно существовать.

Элементы, входящие в сплав, называются компонентами. В зависимости от количества составляющих сплавы могут быть двух-, трех-, четырех- и более компонентными. Кроме основных компонентов, технические сплавы могут содержать в небольших количествах и другие элементы, называемые примесями. Постоянными примесями являются сера и фосфор.

Компоненты в жидком состоянии обладают неограниченной растворимостью. В твердом сплаве они образуют механическую смесь кристалликов исходных материалов или находятся в химическом соединении друг с другом или в виде так называемого твердого раствора.

Системой называют группу веществ, выделенную из прочих окружающих веществ для исследования в известных условиях температуры, давления и других факторов. Например, сплав определенного состава, в котором хотят проследить превращения, происходящие при нагреве или охлаждении, представляет собой систему.

Диаграмма состояний строится по критическим точкам, определяемым различными методами. Одним из важнейших методов является термический.

Диаграмма состояния системы железо – углерод имеет большое практическое значение и является основой для изучения процессов термической обработки чугуна и стали. По ней определяют виды термической обработки, температурные интервалы превращений и т. д.

Кроме того, диаграмма может быть использована для предсказания микроструктуры при любой заданной температуре.

Диаграмму создавали в течение многих лет ученые различных стран. Особенно большой вклад в построение диаграммы внес русский металлург Д. К. Чернов, которому принадлежит приоритет открытия превращений в сталях и критических точек.

По горизонтальной оси диаграммы откладывается содержание углерода в сплаве в процентах, по вертикальной – температура в °С. Каждая точка на диаграмме характеризует определенный состав сплава при определенной температуре. Превращения в сплавах железо – углерод происходят не толь­ко при затвердевании сплава в жидком состоянии, но и в твердом благодаря переходу железа из одной аллотропической формы в другую.

В зависимости от температуры и содержания углерода сплавы железо – углерод могут иметь структурные составляющие: феррит, цементит, перлит, аустенит, ледебурит и графит. Физико-химическая природа этих структурных составляющих различна.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. При 723° С в α-железе может содержаться до 0,02% углерода, а при 20° С всего лишь 0,006% углерода. Феррит обладает высокой пластичностью, низкой твердостью (НВ 80-100), прочностью (σь = 25 кгс/мм 2 ) и магнитными свойствами, которые сохраняются до температуры 768° С.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом, т. е. карбид железа Fe3C. Цементит содержит 6,63% углерода и до 210°С сохраняет магнитные свойства. Цементит очень хрупкий и обладает твердостью НВ 760-800. В структуре стали и чугуна он находится в виде игл, отдельных включений и сетки, по границам зерен.

Перлитом называют механическую смесь феррита с цементитом. Перлит– это продукт распада аустенита при медленном охлаждении. Он может быть пластинчатым или зернистым. В нем содержится 0,8% углерода. Механические свойства перлита зависят от степени измельчения частичек цементита.

Ледебурит представляет собой эвтектику, состоящую из цементита и аустенита и образующуюся при кристаллизации жидкого сплава, который содержит 4,3% углерода. Ледебурит обладает высокой твердостью (НВ до 700) и хрупкостью.

Чистое железо плавится и затвердевает при 1539°С (точка А), а чугун, содержащий 4,3% углерода, – при 1130°С (точка С).

Графит – это кристаллическая разновидность углерода. Он имеет черный цвет и встречается в структуре чугуна и графитизированной стали.

Читайте также:  Оборудование для изготовления корпусной мебели

Когда температура сплава соответствует линии АС, начинается процесс кристаллизации: из жидкого сплава выделяются кристаллы аустенита, а на линии CD – цементит. Так как цементит выделяется из жидкого сплава в процессе первичной кристаллизации, то его называют первичным. Линия АЕСF является линией солидуса. В точке С сплав, содержащий 4,3% углерода, переходит в твердое кристаллическое состояние. Сплав такого состава называют эвтектическими. Структура эвтектического сплава представляет собой ледебурит. Таким образом, чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим, менее 4,3% углерода – дозвтектическим и более 4,3% углерода – заэвтектическим.

В зоне III диаграммы сплав состоит из цементита и жидкого сплава, а в зоне II – из кристаллов аустенита и жидкого сплава. Содержание углерода в кристаллах аустенита определяется линией AIE

При температурах, соответствующих линии АВ, из жидкого сплава выделяется твердый раствор δ. На горизонтали HIB при 1486°С происходит перитектическое превращение. Оставшийся жидкий сплав взаимодействует с твердым раствором δ и в точке / переходит в аустенит, левее точки / – в структуру аустенит – твердый раствор δ, правее точки / – в аустенит и жидкий сплав. Затвердевание сплавов, содержащих до 2% углерода, заканчивается на линии AHIE. Ниже линии HIE, в зоне IV, сплавы представляют собой аустенит.

В нижней части диаграммы превращения происходят в твердом состоянии. Линия GS (линия А3) представляет собой температуры начала выделения феррита из аустенита. Она показывает, что температура образования феррита понижается с 910°С (точка G) для чистого железа до 723° С (точка S) для сплава, содержащего 0,8% углерода. Феррит, который выделяется из аустенита при охлаждении, содержит не более 0,02% углерода. При понижении температуры до 723°С (линия PS) в зоне VIII сплав состоит из феррита и аустенита. В точке S аустенит переходит в перлит. В результате превращений сплавы, содержащие менее 0,8% углерода, имеют структуру феррита и перлита (зона IX). При 0,8% углерода в структуре остается только перлит, называемый эвтектоидом. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной, менее 0,8 углерода – доэвтектоидной, более 0,8 % углерода – заэвтектоидной.

В зоне V находятся в равновесии две структурные составляющие – цементит и аустенит. Линия SE определяет предел растворимости углерода в аустените. При 1130°С (точка Е) в аустените растворяется 2% углерода. В зоне X структура сплава состоит из перлита и вторичного цементита.

В зоне VI сплав состоит из ледебурита, аустенита и вторичного цементита, в зоне VII – из первичного цементита и ледебурита, в зоне XI – из перлита, вторичного цементита и ледебурита и, наконец, в зоне XII – из ледебурита и первичного цементита.

Описанные изменения структуры сплавов при охлаждении обратимы.

Температуры, при которых начинается или заканчивается процесс фазовых превращений в металле или сплаве, называют критическими точками. Рассмотрим «стальной» участок диаграммы состояния железо – углерод:

Возьмем для примера три сплава: доэвтектоидный (/), эвтектоидный (//) и заэвтек-тоидный (///). При медленном нагреве от комнатной температуры до 723°С (точка а) в сплаве / фазовых изменений не происходит. При температуре 723°С перлит превращается в аустенит. Такую температуру называют нижней критической точкой и обозначают AC1 . Буква С указывает на то, что температура остановки получается при нагреве стали, а единица подтверждает образование критической точки на линии PSK. Охлаждение стали отмечают буквой r r1 ). При дальнейшем нагреве в сплаве / зерна феррита растворяются в аустените. Растворение заканчивается в точке а1, лежащей на линии GS. Температуру окончания растворения феррита в аустените называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве сплава-АС3, при охлаждении – АГ3.

Если нагревать эвтектоидный сплав II,. то перлит в точке S (линия PSK) при 723°С превращается в аустенит. Критические точки AC1 и Ас3, при этом совместятся.

При нагреве сплава III в точке b при 723°С перлит превращается в аустенит (точка AC1). Дальнейший нагрев вызывает растворение цементита в аустените и в точке b1 лежащей на линии SE, процесс заканчивается. Эту точку называют критической и обозначают Аст.

Таким образом, на диаграмме железо – углерод критические точки, образующие линию PSK, обозначаются Ас (при нагреве) и Аr1 (при охлаждении), линия GSKАСз, линия SEАст и Аrт. Знание критических точек значительно облегчает термисту дальнейшее изучение процессов термической обработки сталей.

Рассматривая диаграмму состояний железо – цементит в связи с происходящими превращениями в сплаве, можно видеть, как на ней распределены фазы и в каком структурном сочетании.