Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

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.

Аустенит в сталях

Наличие аустенита в стальных сплавах придает им определенные свойства. Детали и узлы, произведенные из подобных сталей, предназначаются для работы в средах, содержащие агрессивные компоненты, например, на предприятиях, перерабатывающих разные кислоты.

Стали этого класса отличаются высоким уровнем легирования, во время кристаллизации формируется гранецентрированная решетка. Такая структура не подвержена изменению даже под воздействием глубокого холода.

Стали этого типа можно разделить на два типа отличающиеся друг от друга составом. В первых, содержатся такие вещества как железо, никель, хром. При этом общее количество добавок не может превышать 55%. Ко второй группе относят никелевые и железоникелевые композиции. В никелевых композициях, его содержание превышает 55%. В железоникелевых составах соотношение никеля и железа составляет 1:5, а количество никеля начинается от 65%.

Такое количество никеля обеспечивает повышенную пластичность, а хром, в свою очередь обеспечивает высокую коррозионную стойкость и жаропрочность. Применение других легирующих материалов позволяет выплавлять сплавы с уникальными эксплуатационными свойствами. Металлурги, составляя рецептуру сплавов, руководствуются будущим назначением сталей.

Для получения легированный сталей применяют ферритизаторы, которые придают постоянство аустенитам, к таким веществам относят ниобий, кремний и некоторые другие. Кроме них применяют углерод, марганец – их называют аустенизаторами.

Фазы в системе «железо-углерод»

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

Жидкая фаза

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

Феррит

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

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

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

Аустенит в сталях

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

Цементит – формы существования

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

Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо — цементит и железо — графит. Первая диаграмма (Fе — Fе3С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе — С) — графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура — содержание углерода. Диаграмма состояния системы железо — углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран. Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова

Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части

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

Диаграмма состояния железо-углерод

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

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

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

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

Химические свойства

Как химическое соединение цементит обладает своими физическими, химическими и механическими характеристиками. Он имеет серый кристаллический вид на изломе, относительно твёрдый с высокой термической устойчивостью. Основные химические свойства цементита выражаются в следующих показателях:

• химическая формула Fe3C;
• разложение структуры происходит при температуре более 1650°С;
• подвержен воздействию различных кислот (особенно высоко концентрированных);
• быстро вступает в реакцию с кислородом.

На основании существующих химических свойств сформированы физические и механические свойства. К основным физическим свойствам относятся:

• температура плавления равняется 1700 °С;
• молекулярная масса составляет 179,55 а.е.м.;
• плотность цементита равна 7,7 г/см3 при температуре равной 20 °С.

К основным механическим свойствам относятся:

• твердость;
• стойкость к ударным воздействиям (хрупкость);
• сопротивление на излом;
• пластичность.

Твёрдость этого соединения достигает больших значений и равна НВ 8000 МПа или HRC 70. Однако он обладает достаточной хрупкостью и низкой пластичностью.

Обладая перечисленными свойствами, цементит активно используется при производстве литых деталей различного назначения. Образование различного вида цементита и его соединений с другими формами приводит к изменению характеристик получаемой стали или чугуна, следовательно, к улучшению или снижению отдельных потребительских свойств.

Например, для получения белого чугуна и придания ему высокой прочности и пластичности стараются перевести цементит в графит. Это достигается при проведении операции отжига. При возрастании температуры он распадается на две составляющие: феррит и графит.

В зависимости от требуемых свойств в чугуне стараются сохранить требуемое количество цементита. Особенно это касается так называемого свободной фракции этого соединения. Для снижения его концентрации применяют различные способы химической и термической обработки. Для решения этой задачи применяют раствор азотной кислоты в чистом спирте. Структурно свободный цементит выпадает в осадок в результате кипячения чугунной болванки в этом растворе. Кроме этого применяют три вида обработки: отжиг, нормализацию и закалку.

Техническое железо содержит третичный цементит в сочетании с ферритом. Он проявляется по границе феррита при содержании углерода от 0,01% до 0,025%. Для повышения качества стали стараются снизить содержание свободного цементита. Особенно его концентрация наблюдается в мягких марках стали. Большое влияние на качество штамповки оказывает содержание этой смеси и перлита в единице объёма. Излишнее присутствие третичного цементита, особенно в форме продолжительной цепочки или сетки приводит к образованию разрывов во время штамповки. Поэтому для получения хорошей ковочной стали стараются снизить количество третичного цементита. Структура таких образований не должна превышать второго балла по установленной шкале. Получаемая твёрдость не должна превышать HB 50 единиц.

Аустенит в сталях

Наличие аустенита в стальных сплавах придает им определенные свойства. Детали и узлы, произведенные из подобных сталей, предназначаются для работы в средах, содержащие агрессивные компоненты, например, на предприятиях, перерабатывающих разные кислоты.

Стали этого класса отличаются высоким уровнем легирования, во время кристаллизации формируется гранецентрированная решетка. Такая структура не подвержена изменению даже под воздействием глубокого холода.

Стали этого типа можно разделить на два типа отличающиеся друг от друга составом. В первых, содержатся такие вещества как железо, никель, хром. При этом общее количество добавок не может превышать 55%. Ко второй группе относят никелевые и железоникелевые композиции. В никелевых композициях, его содержание превышает 55%.  В железоникелевых составах соотношение никеля и железа составляет 1:5, а количество никеля начинается от 65%.

Такое количество никеля обеспечивает повышенную пластичность, а хром, в свою очередь обеспечивает высокую коррозионную стойкость и жаропрочность. Применение других легирующих материалов позволяет выплавлять сплавы с уникальными эксплуатационными свойствами. Металлурги, составляя рецептуру сплавов, руководствуются будущим назначением сталей.

Для получения легированный сталей применяют ферритизаторы, которые придают постоянство аустенитам, к таким веществам относят ниобий, кремний и некоторые другие. Кроме них применяют углерод, марганец – их называют аустенизаторами.

Эвтектоидный перлит

Содержание углерода, при котором аустенит имеет минимальную температуру, называется эвтектоидным содержанием (0,77 % углерода по массе для случая метастабильной диаграммы состояния). Смесь ферритной и цементитной фаз при этом составе углерода, которая образуется при медленном охлаждении имеет характерную пластинчатую структуру, которую называют перлитом. Перлит представляет собой совокупность чередующихся пластин феррита и цементита. Эти пластины после выдержки при температуре близкой к А1 огрубляются («сфероидизируются») в цементитные частицы, распределенные в ферритной матрице.

1.doc

Диаграмма состояния железо – углерод. Структура и свойства углеродистых сталей и чугунов

1. Изучить диаграмму состояния железо-углерод.
2. Изучить микроструктуры углеродистых сталей в равновесном (отожженном) состоянии. Установить зависимость между структурами и механическими свойствами углеродистых сталей.
3. Изучить микроструктуры белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов. Установить зависимость между составом, условиями получения, структурами и механическими свойствами чугунов.

^ 2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с построением кривых охлаждения отдельных сплавов системы железо-углерод.
2. Ознакомиться с зависимостью механических свойств углеродистых сталей от содержания углерода.
3. Изучить и зарисовать микроструктуры углеродистых сталей и чугунов. Обозначить названия структурных составляющих.
4. Оформить отчет к лабораторной работе.

^ 3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 3_γ3железо – углерод αоδ %. _bоо. Fe₃CНВ железо-цементитжелезо-графитДиаграмма состояния железо-цементитАВСВDAHJECFESPQДиаграмма железо-цементит (Fe – Fe₃C)HJB,ECFРSК HJBL_B +Ф_н→A_J.еECFL_C→А_E+ЦЕо^ PSK→ Ф_Р +Ц Fe – Fe₃CLАВСDANHGPQJESGN.AHBδ NHJ – δ JECBCDFSECFKGSP – α QPSKLα железо-цементита, GSPа//BСJEGS→ Ф_Р +ЦPQФ + П +Ц_IIIBСJE2 ESES% SK_IIIIIJEBСL_C→А_E+Ц.Л_вид (П+Ц)Л (А+Ц)/_видIIDCES . → Ф_Р +Ц /РQ_видIII

1. 1. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей.

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

_bг – ^ По химическому составуПо качеству%Р.^ По степени раскисления и характеру затвердевания^ При классификация по структурематрицFe–Fe₃C

а	б
а – доэвтектический, б – эвтектический белый чугун

% % %_b% . %,

1. Диаграмму состояния Fe – C(в масштабе).
2. Кривые охлаждения сплавов (содержание углерода задает преподаватель) согласно диаграммы Fe – C.
3. График зависимости механических свойств стали от содержания углерода.

1. Общая характеристика диаграммы Fe – C..
2. Назовите области диаграммы (однофазные и двухфазные).
3. Назовите фазы в диаграмме и охарактеризуйте каждую из них.
4. В каких состояниях может находиться углерод в железоуглеродистых сплавах ?
5. Объясните, как определяется состав и количество фаз в диаграмме.
6. Расскажите о классификации сталей.
7. Влияние углерода на механические свойства сталей.
8. Структура, свойства, маркировка и применение конструкционных углеродистых: сталей.

,

1. Высокопрочный чугун (структура, механические свойства, маркировка, получение и применение).
2. Ковкий чугун (структура, механические свойства, маркировка, получение и применение).

^ СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева Б.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 493 с.
2. Основы материаловедения. Под ред. И.И.Сидорина. – М.: Машиностроение, 1976.
3. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1983.
4. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1984. 359 с.
5. Руководство к лабораторным работам по материаловедению. Под ред. И,И.Сидорина. – М.: Высшая школа, 1967.

Поиск по сайту:  

Карбид железа

Графический вид составляющей части диаграммы железо-углерод: Fe3C. Вещество называется карбидом железа, или цементитом. Для него характерно:

1. Содержание углерода 6,67 %.
2. Удельный вес — 7,82 %.
3. Кристаллическая решетка имеет ромбическую форму, состоящую из октаэдров.
4. Плавление происходит при температуре ≈1260° С.
5. Низкие ферромагнитные свойства при пониженной температуре.
6. Твердость – 800 НВ.
7. Пластичность практически равна нулю.
8. Карбид железа образует твердые растворы замещения, в которых атомы углерода замещаются атомами неметаллов (азотом), а атомы железа – металлами (хромом, вольфрамом, марганцем). Этот твердый состав называется легированным.

Как уже отмечалось выше, цементит – это нестабильная фаза, а графит – стабильная. Поскольку первое вещество представляет собой неустойчивое соединение, распадаясь при определенных температурных условиях.

В диаграмме железо-углерод есть такие состояния:

• жидкая фаза;
• феррит;
• аустенит;
• цементит;
• графит;
• перлит;
• ледебурит.

Рассмотрим каждую из них подробно.