Студопедия — Диаграмма состояния железо—углерод
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Диаграмма состояния железо—углерод






Сплавы железа применяются практически во всех отраслях промышленности. Главные из них — сплавы железа с углеродом — чугуны н стали. Поэтому изучению их строения и свойств уделяется большое внимание. Основы диаграммы Fe —С были заложены Д. К Черновым.

 

Компоненты. Железо — серебристо-светлый полиморфный металл с плотностью γ = 7,86 г/см3. При комнатной температуре технически чистое железо, содержащее 0,1...0,15% примесей, обладает невысокими прочностными свойствами (НВ 75…90, σв= 250…350 МПа, σ0,2=120…150 МПа) и достаточно высокой пластичностью (δ = 40…50%, ψ = 80…85%). Свойства железа, как и других металлов, сильно зависят от его чистоты. По мере очистки железа его пластичность растет, а прочность и твердость падают. На кривой кристаллизации железа (см. рис.6) выделены критические точки — температуры плавления, полиморфных н магнитного превращений. Для удобства точку Кюри (768 оС) обозначают Аr2 (при охлаждении) н Аc2 (при нагреве). Температуры 911 °С н 1392 °С обозначают соответственно Аr3r4 (при охлаждении) и Аc3, Аc4 (при нагреве).

Углерод — неметаллический элемент с γ = 2,5 г/см3, tпл = 3500 °С; в свободном состоянии встречается в виде алмаза и графита. В сплавах с железом углерод приобретает металлические свойства.

Фазы. При взаимодействии железа с углеродом образуются химическое соединение (цементит) и твердые растворы.

Цементит — химическое соединение железа с 6, 67% углерода — карбид железа Fe3C. Цементит имеет сложную ромбоэдрическую решетку, высокую температуру плавления — примерно 1600 °С, обладает твердостью НВ более 800, большой хрупкостью, ферромагнитен до температуры 210 °С. Кроме цементита, железо с углеродом образует и другие химические соединения, но все они вследствие высокой хрупкости не представляют практического интереса. Поэтому рассматривается не вся диаграмма Fe — С, а ее часть — диаграмма Fe — Fe3C (рис. 19). По условиям образования различают цементит первичный Ц1 (образуется при кристаллизации в виде больших светлых кристаллов, рис. 20, з), вторичный ЦII (выделяется из аустенита в виде светлой сетки по границам зерен, рис. 20, д), третичный ЦIII (выделяется в виде мельчайших зерен из феррита, рис. 20, а). Строение, химический состав и свойства первичного, вторичного и третичного цементита одинаковы.

Твердые растворы. Соотношение атомных радиусов железа и углерода благоприятно для образования твердых растворов внедрения.

Феррит — твердый раствор внедрения углерода в α;-железе. Твердость и механические свойства феррита близки к свойствам технического железа. Это объясняется тем, что в ОЦК решетке нет пор с размерами, достаточными для размещения атомов углерода. Поэтому максимальная растворимость углерода в α;-железе составляет всего лишь 0, 02% при температуре 727 °С (точка Р, рис. 19) и уменьшается с понижением температуры по линии PQ до 0, 0025% при температуре 20 °С (точка Q). Максимальная растворимость углерода в высокотемпературной модификации δ;-железа (ОЦК решетка) — δ;-твердом растворе или δ;-феррите — достигает 0, 1% (точка Н) при температуре 1499 °С, что связано с боль-

 


Рис.19 Диаграмма состояния железо-цементит и

железо-углерод (пунктир)

 

шими параметрами решетки δ;-железа а по сравнению с α;-железом и большой концентрацией вакансий (высокая температура).

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в γ;-железе (назван в честь английского ученого Р. Аустена). Максимально в ГЦК решетке γ;-желёза растворяется 2, 14% С при температуре 1147 °С (точка Е). При понижении температуры растворимость углерода в γ- железе падает и при температуре 727 °С (точка S) составляет 0, 765%. Но и это намного больше, чем в феррите. Столь большая растворимость объясняется тем, что в ГЦК решетке имеются октаэдрические (в центре куба) поры, соизмеримые с размерами атомов углерода. Аустенит парамагнитен и пластичен.

 

Рис. 20. Микроструктура железоуглеродистых сплавов:

а — техническое железо (0, 02% С);

б — доэвтектоидная сталь (0, 4% С);

в — эвтектоидная сталь — пластинчатый перлит (0. 8% С);

г — эаэвтектоидная сталь — зернистый перлит (0, 9% С);

д — заэвтектоидная сталь (1, 2% С);

е — доэвтектический чугун (3, 5% С);

ж — эвтектический чугун (4, 3% С);

з — заэвтектический чугун (4, 9% С);

и — серый чугун на перлитной основе (2, 7% С);

к — ковкий чугун на феррито-перлитной основе (2, 7% С).

Увеличение: а, б, ек —´ 200; вд — ´500.

 

Механические смеси. Сплавы Fe — С претерпевают эвтекти­ческое и эвтектоидное превращения. Эвтектическая механическая смесь аустенита с цементитом в области температур 1147... 727°С и перлита с цементитом при температурах ниже 727 °С называется ледебуритом (в честь немецкого ученого Ледебура) (рис. 20, ж).

Образуется ледебурит из жидкой фазы с 4, 3% С (точ­ка С) по эвтектическому типу:

ЖС→ЛСЕF)

 

При темпе­ратуре 727 °С (линия PSК), обозначаемой Аr1 (при охлаждении) и Аc1 (при нагреве), происходит распад аустенита по эвтектоидному типу:

АS→ПSРF)

Таким образом, изменяется и фазовый состав ледебурита:

ЛСЕF) → ЛСРF)

Образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита механическая смесь феррита и цементита называется перлитом. Его структура может быть пластинчатой и зернистой (рис. 20, в, г), но в любом случае перлит содержит примерно 0,8% С (точка S) и состоит из двух фаз: Ф + Ц.

Сплавы, содержащие менее 0,02% С, называются техническим железом, имеют ферритную структуру с мельчайшими редкими вкраплениями зерен ЦIII (рис. 20, а).

Сплавы, содержащие 0,02... 2,14% С, представляют собой стали. Они подразделяются на:

· доэвтектоидные (0,02... 0,8% С)

· эвтектоидные (~0, 8% С),

· заэвтектоидные (0, 8... 2, 14% С).

Структура доэвтектоидных сталей: Ф + П (с увеличением содержания углерода возрастает доля П); эвтектоидной: П; заэвтектоидных: П + ЦII (доля ЦII возрастает с увеличением количества углерода).

Сплавы, содержащие более 2,14% С, называются чугунами.

Различают:

· доэвтектические чугуны (2,14...4,3% С)

· эвтектические чугуны (4,3% С),

· заэвтектические чугуны (4,3...6,67% С).

Структура эвтектического чугуна: Л; доэвтектического: Л + П + ЦII (с увеличением содер­жания углерода растет доля Л); заэвтектического: Л +ЦI (с уве­личением содержания углерода возрастет доля ЦI).

Структура сталей и чугунов приведена на рисунке 20, а — к.

 

Критические точки и линии диаграммы Fe — Fe3 C.

 

На диаг­рамме Fe — Fe3 C (см. рис. 19) выделены следующие точки:

А и D —температуры плавления соответственно Fe и Fe3C;

I, С, S — точки, соответствующие перитектической, эвтектической и эвтектоидной структурам;

H, Е, Р — температуры максимальной растворимости углерода соответственно в -,γ-;-железе;

G и N — температуры полиморфных превращений.

Линии диаграммы соответствуют следующим фазовым превра­щениям:

· линии ABCD и AHIECF — соответственно линии ликвиду­са и солидуса;

· выше линии ABCD все сплавы находятся в жидком состоянии,

· ниже линии AHIECF — в твердом,

· а между ними — в жидко-твердом.

Линия ликвидуса состоит из отрезков АВ, ВС и CD, которые показывают температуры начала кристаллизации соответственно -феррита (Ф), аустенита (А) и первичного цементита (ЦI).

Линия солидуса также состоит из нескольких отрезков. Отрез­ки АН и IE характеризуют температуры конца кристаллизации Ф и А из жидкой фазы; HI — температуру перитектической реакции между жидкой фазой состава В и -ферритом состава H, в резуль­тате которой образуется аустенит состава I (так как в этих сплавах будет избыток Ф, то он полностью не превратится в аустенит:ЖВ+ ФН «АI + ФH);

ECF — эвтектическая температура, при которой жидкая фаза со­става С

кристаллизуется в механическую смесь:

ЖС«ЛСЕF)

Отрезок IB показывает температуру перитектического превра­щения, причем в этих сплавах в избытке находится жидкая фаза, и в результате реакции:

ЖВ+ ФН «АI + ЖВ

весь феррит прореагирует с частью жидкой фазы, превратившись в АI.

 

Поскольку железо — полиморфный металл, то в его сплавах с углеродом наблюдаются превращения и в твердом состоянии, обу­словленные как собственно полиморфизмом, так и изменением растворимости углерода в А и Ф при понижении температуры. Опи­сываются эти превращения следующими линиями, которые харак­теризуют:

HN — температуру начала превращения Ф в A,

IN —температуру конца превращения Ф в A;

GS — температуру начала превращения А в Ф,

PG — температуру конца превращения А в Ф;

МО — температуру приобретения ферритом магнитных свойств при охлаждении и потери при нагреве;

ES — предельную раство­римость углерода в аустените: при охлаждении происходит процесс выделения ЦII из А, при нагреве — растворение ЦII в A;

PSK — наличие превращения, подобного эвтектическому: аустенит состава S распадается на эвтектоидную смесь ПSРK);

PQ — пре­дельную растворимость углерода в феррите: при охлаждении про­исходит выделение ЦIII, при нагреве — растворение его в феррите.

В качестве примера рассмотрим превращения, происходящие при охлаждении в конкретных сплавах.

Превращения в сталях.

Доэвтектоидная сталь (0,3% С) при охлаждении по линии АВ начинает кристаллизоваться с образованием феррита, который при температуре 1499 °С вступает в перитектическую реакцию с жидкой фазой и превращается в аустенит.

Таким образом:

· между линиями АВ и HIВ сталь будет иметь структуру Ж + Ф,

· между линиями НIB и IE — Ж + А.

· При достиже­нии линии IE последние капли жидкой фазы превращаются в аусте­нит.

· Область гомогенного (однородного) аустенита простирается до линии GS, на которой начинается превращение γ-железа в -железо и сталь попадает в двухфазную A + Ф область.

· С понижением температуры содержание аустенита уменьшается, а феррита уве­личивается. При этом образующийся феррит вытесняет углерод в окружающие его остатки аустенита. Последний насыщается угле­родом (состав изменяется по линии GS) и при температуре 727 °С превращается в перлит.

· Таким образом, структура доэвтектоидной стали будет: Ф + П.

 

Заэвтектоидная сталь (~ 1,2% С) начинает кристаллизоваться при достижении линии ВС, а заканчивает на линии IE. Между этими линиями наблюдается двухфазное состояние: Ж + А. По окончании кристаллизации гомогенный аустенит не претерпевает изменений до линии ES. Ниже этой линии и до температуры 727 °С сталь будет иметь структуру: А + ЦII, причем с понижением тем­пературы цементитная сетка вокруг аустенитных зерен будет утол­щаться. Выделение богатого углеродом вторичного цементита обед­няет аустенит, и при температуре 727 °С он приобретает состав S и превращается в перлит, а цементитная сетка сохраняется (структу­ра стали: П + ЦII, рис.20,д).

 

Превращения в чугунах.

Для чугунов образование цементита — свидетельство метастабильного равновесия: при очень медленном охлаждении должна происходить графитизация.

Доэвтектический чугун (~3% С) начинает кристаллизоваться при достижении линии ВС. Образующиеся кристаллы аустенита содержат менее 4,3% С. Поэтому по мере охлаждения увеличение содержания аустенита вызывает обогащение остатков жидкой фазы углеродом до 4,3% и при температуре 1147°С происходит эвтектиче­ское превращение чугуна. Кроме образовавшегося ледебурита, в структуру чугуна в интервале температур 1147...727°С входят аустенит и выделяющийся из него при охлаждении вторичный це­ментит. Обеднение углеродом структурно свободного аустенита и аустенита, входящего в состав ледебурита, до 0,8% (состав меняется по линии ES), приводит к эвтектоидному превращению аустенита состава S в перлит. Конечная структура доэвтектического чугуна: ЛC + ПS + ЦII (рис. 20, е).

Заэвтектпческий чугун (~5,5% С) кристаллизуется в интервале температур CDCF. Образуется первичный цементит. По мере кристаллизации остатки жидкой фазы обедняются углеродом и при температуре 1147 °С достигают состава С — происходит образование ледебурита. При охлаждении аустенит обедняется углеродом, дос­тигает состава S (при 727 °С), происходит эвтектоидное превращение чугуна, и структура его будет иметь вид:

ЛС (П + Ц) + ЦI.

Диаграмма Fe — графит.

Процесс образования графита Г называется графитизацией. На диаграмме Fe — Fe3 C (см. рис. 19) пунктиром нанесены линии выделения графита. По линии C'D' кристаллизуется первичный графит; по линии E'C'F' — эвтектика А + Г; по линии S'E' выделяется вторичный графит; по линии P'S'K' —эвтектоид Ф + Г. Графитизация происходит при очень медленном охлаждении. Облегчает графитизацию при­сутствие кремния и включений SiO2, ALO3 и др.

Если при эвтектической кристаллизации получается только це­ментит, чугун называется белым; если образуется только графит — серым; если графит и цементит — половинчатым. Свое название чугуны получили по цвету излома.







Дата добавления: 2015-06-12; просмотров: 1327. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм...

Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Статика является частью теоретической механики, изучающей условия, при ко­торых тело находится под действием заданной системы сил...

Гносеологический оптимизм, скептицизм, агностицизм.разновидности агностицизма Позицию Агностицизм защищает и критический реализм. Один из главных представителей этого направления...

Функциональные обязанности медсестры отделения реанимации · Медсестра отделения реанимации обязана осуществлять лечебно-профилактический и гигиенический уход за пациентами...

Определение трудоемкости работ и затрат машинного времени На основании ведомости объемов работ по объекту и норм времени ГЭСН составляется ведомость подсчёта трудоёмкости, затрат машинного времени, потребности в конструкциях, изделиях и материалах (табл...

Мелоксикам (Мовалис) Групповая принадлежность · Нестероидное противовоспалительное средство, преимущественно селективный обратимый ингибитор циклооксигеназы (ЦОГ-2)...

Менадиона натрия бисульфит (Викасол) Групповая принадлежность •Синтетический аналог витамина K, жирорастворимый, коагулянт...

Разновидности сальников для насосов и правильный уход за ними   Сальники, используемые в насосном оборудовании, служат для герметизации пространства образованного кожухом и рабочим валом, выходящим через корпус наружу...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.012 сек.) русская версия | украинская версия