Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

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.

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:  

Полиморфные превращения

Более подробно о каждой фазе чуть ниже в статье. А если кратко, то осуществление главных превращений происходит при особых температурах.

Состояние железа обозначают как α-феррум (при температуре менее 911° С) . Кристаллическая решетка – объемный гранецентрированный куб. Или ОЦК. Дистанция между атомами такой решетки достаточно высокая.

Железо приобретает модификацию гамма, то есть обозначается как γ-феррум (911-1392° С) . Кристаллическая решетка — гранецентрированный куб (ГЦК). В этой решетке дистанция между атомами ниже, чем в ОЦК.

При переходе α-феррума в γ-феррум объем вещества становится меньшим. Причиной тому является кристаллическая решетка – ее вид. Потому что решетка ГЦК имеет более упорядоченное состояние атомов, чем ОЦК.

Если переход осуществляется в обратном направлении — из γ-феррума в α-феррум, то объем сплава увеличивается.

Когда температура достигает значения 1392° С (но менее температуры плавления железа 1539° С), то α-феррум превращается в δ-феррум, но это не является ее новой формой, а лишь разновидностью. К тому же δ-феррум является неустойчивой структурой.

Чтение диаграммы железо-углерод

Состав сплава с данным исходным содержанием углерода при заданной температуре мы можем увидеть, двигаясь по вертикальной линии, соответствующей содержанию углерода в сплаве.

Рассмотрим, например, область AEC. С ней соседствуют области аустенита AESG и жидкой фазы. Сплавы в ней состоят из жидкой фазы и образующегося твердого аустенита. Как определить концентрацию углерода в разных фазах для данного сплава? Рассмотрим для примера сплав с исходной концентрацией углерода 2,5% при температуре 1250°С.

Проведем из этой точки графика «2,5% C – 1250°С» горизонтальную прямую. Пересечение этой прямой с линией AE, граничащей с областью аустенита, покажет концентрацию углерода в аустените при данной температуре (~1.5%).

Пересечение этой же горизонтальной прямой с линией AС, граничащей с областью жидкой фазы, покажет концентрацию углерода в жидкой фазе при данной температуре (~3.5%).

Именно таким образом мы можем определить концентрацию углерода в фазах любого сплава при заданной температуре:

• в жидкой фазе и аустените в области AEC;
• в жидкой фазе в области CDF (концентрация углерода в цементите, конечно, постоянна – 6,67%);
• в аустените в области SEFK;
• в феррите в области QPKL;
• в феррите и аустените в области GPS.

 Как видим, при концентрации углерода выше 2,14% насыщение охлаждаемого расплава углеродом всегда стремится к 4,3% (по линиям AC и DC) по мере приближения к температуре 1147°С (уровень ECF). Далее происходит превращение жидкости в ледебурит (эвтектику). Естественно, с этим же средним содержанием углерода.

По мере приближения к температуре 727°С (уровень PSK) концентрация углерода в аустените («свободном» и/или входящем в состав ледебурита) стремится к 0,8% (по линиям GS и ES). Далее происходит превращение аустенита в перлит (эвтектоид). Перлит, конечно, имеет среднее содержанием углерода 0,8%.

Промышленное получение

Железоуглеродистые сплавы производятся металлургическими заводами из разных компонентов. Основа — железо с углеродом. Этапы производственного процесса:

1. Подготовка расходного сырья (руды). Ее сортируют по размерам кусков, химическому составу. Бедные руды обогащаются требуемыми компонентами. Пустые породы удаляются.
2. Подготовка топлива. Коксовый уголь проходит процедуру грохочения. Она нужна, чтобы удалить из топлива посторонние примеси, которые могут привести к тепловым потерям при плавке руды.
3. Подготовка флюса. Вещества, которые будет применяться для производства чугуна измельчают. При этом отсеивается мелочь, удаляются сторонние примеси.
4. Загрузка расходных материалов, руды в доменную печь. Сначала она заполняется коксом, сверху выкладывается руда, поверх нее засыпается еще один слой кокса. Внутрь вдувается разогретый воздух для поддержания температуры плавления металла. При сгорании кокса выделяется большое количество углекислого газа, который проходит через остатки кокса, образуя соединение СО. В процессе восстановления железо набирается твердости. Постепенно углерод начинает растворяться. Жидкий чугун подается к специальным ковшам, из которых разливается по формам.

Для производства чугуна применяются большие доменные печи. Их высота может достигать 30 м, а внутренний диаметр — 12 м.

Доменная печь (Фото: Instagram / viktormacha)

Компоненты в системе железо углерод

Аустенит

Атомы размещается в гранецентрированной ячейке. Твердость аустенита имеет  твердость 200 … 250 единиц по Бринеллю. Кроме того у него хорошая пластичность и он отличается парамагнитностью.

Железо

Железо – это материал, относящийся к металлам. Его натуральный цвет – серебристо-серый. В чистом виде он очень пластичен. Его удельный вес составляет 7,86 г/куб. см. Температура плавления составляет 1539 °C. На практике чаще всего применяют техническое железо, в составе которого присутствуют следующие примеси – марганец, кремний и многие другие. Массовая доля примесей не превышает 0,1%.

Железо

У железа есть такое свойство как полиформизм. То есть, при одном и том же химическом составе, это вещество может иметь разную структуру кристаллической решетки и соответственно разные свойства. Модификации железа называют соответственно – Б, Г, Д. Все эти модификации существуют при разных условиях. Например, тип Б, может существовать только при температуре 911 °С. Тип Г может существовать в диапазоне от 911 до 1392 °С. Тип Д существует в диапазоне от 1392 до 1539 °С.

Каждый из типов обладает своей формой кристаллической решеткой, например, у типа Б решетка представляет собой куб, решетка типа Г имеет гранецентрированную кубическую форму. Решетка типа Д, имеет форму объемно центрированного куба.

Еще одно свойство состоит в том, что при температуре ниже 768 железо ферримагнитно, а при ее повышении это свойство теряется.

Точки полиморфной и магнитной трансформации называют критическими. На таблице они обозначены следующим образом – А2, А3, А4. Цифровые индексы показывают тип трансформации. Для более полного различия превращения железа из одного вида в другой к обозначению добавляют индексы с и r. Первый говорит о нагреве, второй об охлаждении.

Полиморфные модификации железа

При высоких параметрах пластичности, железо не обладает высокой твердостью, по шкале Бринелля она равна 80 единиц.

Железо имеет  возможность образовывать твердые растворы. Их можно разделить на две группы – раствор замещения и внедрения. Первые состоят их железа и других металлов, вторые из железа и углерода, водорода и азота.

Углерод

Другой компонент системы – углерод. Это – неметалл и он обладает тремя модификациями в виде алмаза, графита и угля. Он плавится при 3500 °С.

Аллотропные модификации углерода

В сплаве железа, этот элемент находится в виде твердого раствора, его называют цементит или в виде графита. В таком виде он присутствует в сером чугуне. Графит, не отличается ни пластичностью, ни прочностью.

Цементит

Доля углерода составляет 6,67%.  Он обладает высокой твердостью – 800 НВ, но при этом у него отсутствует пластичность. Полиморфными свойствами не обладает.

Он обладает следующим свойством – при формировании раствора замещения, углерод может быть заменен на атомы других веществ, например, на хром или никель. Такой раствор получил название легированного раствора.

Цементит

Он не обладает устойчивостью, при наличии некоторых условий он может разлагаться, при этом происходит трансформация углерода в графит. Это свойство нашло применение при образовании чугунов.

Кстати, в жидком состоянии, железо может растворять в себе примеси, при этом образуя, однородная масса.

Феррит

Так называют твердый раствор, при котором происходит внедрение углерода в железо.

Он растворяется с определенной переменностью, при нормальной (комнатной) температуре объем углерода лежит в пределах 0,006%, при 727 °С, то концентрация углерода составит 0,02%. По достижении 1392 °С образуется феррит.

Феррит

Содержание углерода составит 0,1%.  Его атомы размещаются в дефектных узлах решетки.

Феррит по своим параметрам близок к железу.

Классификация железоуглеродистых сплавов

Классификация железоуглеродистых сплавов в зависимости от концентрации углерода в сплаве:

1. C<0,025%. Техническое железо. При комнатной температуре будет состоять только из феррита;
2. 0,025<C<2,14. Стали:

• • 0,025<C<0,8. Доэвтектоидные стали. Состав: феррит + перлит (или третичный цементит);
  • C=0,8. Эвтектоидная сталь. «Чистый» перлит;
  • 0,8<C<2,14. Заэвтектоидная сталь. Состав: вторичный цементит + перлит;

1. 2,14<C<6,67. Чугуны:

• • 2,14<C<4,3. Доэвтектический чугун. Состав: ледебурит + перлит + вторичный цементит;
  • C=4,3. Эвтектический чугун. «Чистый»  ледебурит;
  • 4,3<C<6,67. Заэвтектический чугун. Состав: ледебурит + цементит.

Техническое железо выделяет то, что оно состоит исключительно из феррита. Который и определяет его свойства: мягкость, чрезвычайную пластичность и т.д.

Чугуны же выделяет наличие ледебурита, придающего им хрупкость. Поэтому чугуны не могут подвергаться ковке. Зато обладают лучшими литейными свойствами (чем стали), обусловленными наличием легкоплавкого ледебурита.

Феррит

Является твердым раствором внедрения углерода в α-ферруме. Также может быть включено небольшое количество примесей. Но феррит имеет почти одинаковые качества, как и чистое железо. Если рассмотреть структуру под микроскопом, то можно увидеть полиэдрические зерна светлого тона.

Бывает:

• низкотемпературный (при температуре 727° С растворимость углерода 0,02 %);
• высокотемпературный (при 1499° С растворимость углерода 0,1 %), или его называют δ-феррум.

Свойства феррита:

• твердость — 80-120 НВ;
• временное сопротивление — 300 МПа;
• относительное удлинение — 50 %;
• обладает хорошими магнитными свойствами (до температуры 768° С).

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.

Диаграмма состояния

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe₃C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы на основе железа с содержанием углерода до 5 %, практически интересна часть диаграммы состояния от чистого железа до цементита. Поскольку цементит — метастабильная фаза, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке).

Для серых чугунов и графитизированных сталей рассматривают стабильную часть диаграммы железо—графит (Fe—Гр), поскольку именно графит является в этом случае стабильной фазой. Цементит выделяется из расплава намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго, несмотря на метастабильность. В серых чугунах графит существует обязательно.

На рисунке тонкими пунктирными линиями показаны линии стабильного равновесия (то есть с участием графита), там где они отличаются от линий метастабильного равновесия (с участием цементита), а соответствующие точки обозначены штрихом. Обозначения фаз и точек на этой диаграмме приведены согласно неофициальному международному соглашению.

Компоненты в системе «железо-углерод»

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит:

Железо

Железо – d-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 — α и γ. Полиморфные превращения происходят при температурах 911° С и 1392° С. При температуре ниже 911° С и выше 1392° С существует Feα (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 Feα называют Feδ. Высокотемпературная модификация Feα 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.

Углерод

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 (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Цементит

Цементит (Fe3C) – 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 Fе3С 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