Диаграмма состояний железо углерод

Диаграммы состояния железо- углерод

На рис.2.1 изображена, имеющая практическое значение, часть неравновесной диаграммы состояния системы Fe-Цементит до концентрации 6,67%С, что соответствует составу соединения . Равновесная диаграмма состояния системы строится в координатах Fe-графит.

Точки фазовых и структурных превращений в сплавах Fe-C принято обозначать определенными символами, эти символы учитывают несовпадение их при нагреве (индекс с) и охлаждении (r).

Так, для Fe четыре характерных точки: А ( )- Т ; .

Область первичной кристаллизации на диаграмме находится между линиями L-ca АСD и S-ca AECF; AC-температура начала кристаллизации аустенита из жидкости, CD- первичного цементита (Ц ). Другие линии соответствуют: в высокотемпературной области HJB перитектическое превращение: ; ЕСF- кристаллизация эвтектики (ледебурита) по ; PSK- эвтектоидному превращению: . Точки соответствуют: А- Т Fe; D- Т ; N и G- температуры аллотропных превращений Fe; Н (0,1%С), Р (0,02%С) и Е (2,14%С)- максимальному содержанию С в высоко- и низкотемпературных ферритах и аустените.

Сплавы, содержащие менее 0,02% С, называются техническим Fe; от 0,02 до 2,14% С – сталями; > 2,14% – чугунами. Соответственно при 0,02-0,8%С — доэвтектоидные; 0,8%С — эвтектоидные и 0,8-2,14%С — заэвтектоидные стали. Чугуны: 2,14-4,3%С — доэвтектические; 4,3% — эвтектические; >4,3% — заэвтектические.

Рис.2.1. Диаграмма состояния железо-углерод

Разграничение между сталью и чугуном совпадает с предельной растворимостью С в аустените. Стали не содержат хрупкого ледебурита, а пластичный перлит. Поэтому они легко деформируются, т.е. являются ковкими. Чугуны же обладают лучшими литейными свойствами (низкая Т и усадка), что объясняется присутствием легкоплавкой эвтектики (ледебурита).

В верхней части диаграммы состояния (до 0,51%С), где происходит перитектическое превращение, все сплавы в конечном итоге образуют аустенит. Первичные кристаллы аустенита и -феррита имеют вид дендритов, величина и строение которых определяется состоянием сплава и условиями его кристаллизации.

При медленном охлаждении образуется сотовый ледебурит в виде пластин цементита, проросших разветвленными кристаллами аустенита. При быстром охлаждении образуется пластинчатый ледебурит: тонкие пластины цементита, разделенные аустенитом.

Фазовые и структурные превращения в сплавах Fe-C после затвердевания связаны с полиморфизмом Fe, изменением растворимости С в аустените и феррите с понижением температуры, эвтектоидным и магнитным (768ОС) превращением. Так, при <0,8%С полиморфное превращение сопровождается перераспределением С между ферритом и аустенитом. При этом в техническом Fe ( %С) по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут поглощая Аустенит. Ниже PQ существует только феррит, из которого на линии PQ выделяется по границам зерен третичный цементит (Ц ), резко снижающий пластичность сплава.

Линия максимальной растворимости С в аустените SE соответствует температурам начала выделения из аустенита вторичного цементита (Ц ). По достижении температуры 727 С содержание С в аустените достигает эвтектоидной концентрации 0,8% и аустенит распадается на феррит и цементит, образующих перлит. Чем больше концентрация С, тем меньше в структуре избыточного феррита и больше перлита и при 0,8%С весь аустенит превращается в перлит (эвтектоидная сталь). Перлит обычно состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита с соотношением толщин 7,3: 1 (как SK:PS). Специальная обработка дает зернистое строение перлита со сфероидами цементита.

После охлаждения ниже 727 С заэвтектоидные стали (>0.8%С) состоят из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки по границам бывшего зерна аустенита или в виде игл. Это увеличивает хрупкость стали и, если это необходимо, с помощью термообработки добиваются сфероидной формы Цементита.

В доэвтектических чугунах (2,14-4,3%С) при 727 С аустенит обедненный С до 0,8% превращается в перлит, т.е. после окончательного охлаждения они имеют структуру: перлит + ледебурит (перлит + цементит) + цементит .Чем больше содержание С, тем больше ледебурита и меньше перлита. Эвтектический чугун состоит из ледебурита, а заэвтектический при Т>727 С из Ц , имеющего форму пластин и аустенита, причем количество Ц растет с концентрацией С. Т.о. сплавы Fe-C могут состоять из различных структурных составляющих (относительное содержание их определяется по диаграмме, изображенной на рис.2.2б) однако фазовый состав всегда при Т<727 С одинаков: феррит + цементит (рис.2.2а).

Равновесная диаграмма Fe – графит получается в результате распада цементита. Графит формируется только при очень малых степенях переохлаждения. Присутствие зародышей кристаллизации (Графит, и другие) облегчает этот процесс. Основная масса Графита в серых чугунах образуется при кристаллизации из жидкости, а образующийся при распаде аустенита, наслаивается на зерна первичного Графита. Процесс графитизации происходит при высоких температурах в чугунах цементитной структуры по реакции Ц Ф+Г.

Рис.2.2. Диаграммы для определения фазового (а) и структурного (б) состава сталей и чугунов

Дата добавления: 2015-06-12; просмотров: 917;

Углерод в железе при различных условиях вызывает разные структурные состояния, определяемые количеством углерода и температурой среды.

Внедренный в железо углерод в различных соотношениях и при различной концентрации с условиями внедрения определяет массу различных свойств соединения. Это свойство нашло обширное практическое применение на производствах и в металлургической промышленности.
Различные состояния соединения железо-углерод имеют разные названия: стабильная твердая фаза — графит, затем по убыванию степени твердости цементит, аустенит, феррит и жидкая фаза.

5 фаз диаграммы железо-углерод

Жидкая фаза — в этом состоянии железо растворяет углерод в любых соотношениях.
Феррит — образуется при температуре до 727 градусов. Концентрация углерода по мере увеличения температуры может возрастать от 0,006% до 0,02%. Его свойства близки к железу — мягкий, пластичный, магнитен при малом количестве углерода.
Аустенит — твердый раствор углерода в железе с кубической решеткой, где атомы углерода занимают центральное положение в решетке. Соединение обладает большей твердостью, нежели феррит. Проявляет парамагнитные свойства — то есть может быть намагниченным от внешнего магнитного поля. На практике его используют в составе сталей для придания сплаву устойчивости как к литью, так и закалке. Открытие аустенита позволило в разы ускорить процесс литья стали и ее закалки за счет повышения температурных режимов производства.
Цементит — очень твердое, но хрупкое соединение, магнитных свойств не имеет. Является результатом добавления углерода до 6,67% при темпере до 1536 градусов. Излишек углерода свыше 6,67% выделится в виде графита. Соединения считается условно стабильным, так как при длительном нагревании начинает выделять графит и уровень углерода снижается. В зависимости от условий получения, цементит может иметь различную форму — пластин, равноосные зерна, сетка и т.д.

Цементин входит в различных концентрациях в состав железоуглеродистых сплавов. В промышленности цементит является основным сырьем для изготовления бетона и железобетона, которые являются самыми распространенными строительными материалами на сегодняшний день. Его уникальность заключается в его практически нулевой пластичности — он либо остается неизменной формы, либо ломается. Это объясняется сложностью строения его кристаллической решетки.
Графит — чистый углерод, не содержащий железа. Графит самый низкий по плотности из всех перечисленных фаз. Графит присутствует в соединениях чугуна и некоторых марках высокопрочной стали.
Графит находит особо широкое применение из-за его физических свойств: из него производят электроды и нагревательные элементы за счет его высокой электропроводимости и особой устойчивости к водным растворам, несвойственной ряду металлов. Его применяют также для получения синтетических алмазов, высокопроводящих клеев, наполнителя пластмасс и еще во множестве специфических сфер.

Углерод, вступая в реакцию с железом в различных условиях, делает из железа совершенно уникальные соединения, придавая ему свойства, которые изначально и не подозревались. А доступность обоих материалов делает их ведущей основой для производства самой различной направленности

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Диаграмма состояния железо-углерод (цементит) является фундаментом науки о стали и чугуне (рисунок 1.19). Она характеризует фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67%С). Следовательно, компонентами этих сплавов являются железо и цементит.

Линия АВС — ликвидус, а линия АDВЕ — солидус.

Форма этих линий показывает; что данная диаграмма состоит из диаграммы типа «эвтектика» (от точки D до точки Е).

По линии АВ из жидкого раствора начинают выпадать кристал­лы твердого раствора углерода в гамма-железе (γ — Fe), который называется Аустенитом ( аустенит А – по имени англ. металлурга У.Робертса-Аустена). В области АВD будет находиться смесь двух фаз — жидкого раствора L и аустенита А. По линии ВС из жидкого раствора начинают выпадать кристаллs цементита Ц. В области ВЕС находится смесь двух фаз — жидкого раствора L и цементита Ц. В точке В при содержании 4,3%С и температуре 1130°С происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита и обра­зуется их тонкая механическая смесь — эвтектика, называемая ледебуритом (по вмени немец. металлурга Д.Лецебура).

Рисунок 1.19 — Диаграмма состояния Fe+C

Ледебурит (эвтектика) присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С. Эти сплавы относятся к группе чугуна.

Точка D соответствует предельному насыщении железа углеро­дом 2,14%. Сплавы, содержащие менее 2% углерода относятся к группе стали. .

Линии GSD, KSF и GKQ показывают, что в сплавах в твердом со­стоянии происходят изменения структуры (вторичная кристаллиза­ция). Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода Fe из одной модификации в другую, а также в связи с изменением растворимости углерода в железе.

При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением по линии GS феррита (Ф) — твердого раствора углерода в λ — железе, а по линии SD- цементита (Ц) вторичного. В точке S при содержании 0,83% углерода весь аустенит при температуре 723°С рас­падается и одновременно образуется тонкая механическая смесь феррита и цементита — эвтектоид (т.е. подобный эвтектике), который называется перлитом (П). По линии KSF происходит распад всего аустенита, оставшегося в любом сплаве, с образованием перлита, поэтому линия KSF называетcя линией перлитного (эвтектоидного) превращения. Прямая DEB- линия эвтектического (ледебуритного) превращения. По линии МО при температуре 768°С происходит магнитное превращение выпавших кристаллов феррита, то есть не­магнитный феррит становится магнитным. По линии KQ при дальней­шем понижении температуры феррит распадается с выделением тре­тичного цементита (Ц3). Содержание углерода в феррите постепен­но понижается от 0,025% при 723°С до 0,006% при О°С.

Свойства сплавов зависят и от состава и от структуры. Феррит — фаза мягкая и пластичная; цементит, наоборот, придаёт стали твердость и хрупкость ; перлит содержит 1/8 цементита и поэтому имеет повышенную твердость и прочность по сравнению с ферритом; ледебурит хрупкий, он содержится только в чугунах. Аустенит об­ладает высокой пластичностью и прочностью. Сплавы, содержащие <= 0,02% углерода (точка К), называют техническим железом.

Наиболее ранние исследования сплавовсистемы относятся к началу текущего столетия. К этому времени были достаточно точно установлены кривые плавкости, область существования твердых растворовхрома в γ-Fe, а также концентрационные и температурныепределы образования σ-фазы.

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 растворовхрома 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 температурарезко возрастает. При содержании в сплавах —50% (ат.) Сr и температуре ~815°С происходит фазовая перекристаллизацияα-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 системежелезо — Хром эта область при 600 °С простирается от 43 до 49 % (ат.) Сr. Периоды решеткиσ-фазы а=0,880 нм, с=0,5444 нм и мало изменяются в пределах области гомогенности.

В сплавахсистемы образуются три сверхструктурные фазы β, θ, σ с областями гомогенности 41,9—44,2 % (ат.) Сr; 45,7—47,2 % (ат.) Сr и 49,2—51,5 % (ат.) Сr. В настоящее время методами высокотемпературного термического анализа и измерениемэлектросопротивления показано, что Хром является мономорфным металлом.

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 концентрацииуглерода 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.

На основе измерения электросопротивления, твердости и намагниченности построена низкотемпературная часть диаграммысостояниясистемыжелезо — Хром . Ниже 550 °С твердый растворα и σ-фаза становятся неустойчивыми и расслаиваются на два твердых раствора (богатых и бедных хромом) с о. ц. к. решеткой. В отсутствие σ-фазы расслоениеα-твердого раствора начинается при более высокой температуре. На рис. приведена низкотемпературная часть диаграммысостояниясистемыжелезо — хром, штриховой линией показано начало расслоенияα-твердого раствора при отсутствии σ-фазы.

Наличие области расслоения в системе согласуется с термодинамическими данными, а именно: положительным отклонением от закона идеальных растворов и положительной теплотой смещения. Это означает, что твердые растворы а- и σ-фаза при понижении температуры становятся менее устойчивыми и должны распадаться на твердые растворы с меньшим и большим содержанием хрома . Температурныйинтервал стабильности σ-фазы соответствует 440—820 °С.

Добавить комментарий

Закрыть меню