Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Метастабильная диаграмма железо углерод

Метастабильная диаграмма железо углерод

При сравнительно быстром охлаждении расплава происходит образование цементита в процессе кристаллизации жидкого чугуна. Систему железо-цементит называют метастабильной, т. е. неустойчивой, так как при определенных условиях цементит распадается на аустенит и свободный углерод в виде графита. При очень медленном охлаждении из расплава в процессе его кристаллизации углерод выделяется в виде графита. Систему железо-графит называют стабильной. Процесс кристаллизации графита в сплавах железа с углеродом называют графитизацией. Она может происходить и в твердом состоянии, поскольку цементит при высоких температурах неустойчив. В этом случае графитизация происходит в несколько накладывающихся стадий: 1) распад цементита и растворение атомов углерода в аустените; 2) образование центров графитизации в аустените; 3) диффузия атомов углерода в аустените к центрам графитизации; 4) рост выделений графита.
На рис. 21 показана совмещенная диаграмма: сплошными линиями изображена метастабильная диаграмма железо-цементит, штриховыми линиями — стабильная диаграмма железо-графит. По диаграмме железо-цементит в области чугунов получают белые чугуны, а по диаграмме железо-графит — серые чугуны. На диаграмме железо-графит горизонтальные линии E’C’F’ и P’S’K’ лежат несколько выше, а наклонные линии CD’ и E’S’ -. несколько левее соответствующих линий диаграммы железо-цементит.

Диаграмма состояния железо-графит
Рис. 21. Диаграмма состояния железо-графит

На диаграмме железо-графит линия ACD’ — линия ликвидуса. При охлаждении расплава по ветви АС выделяется аустенит, а по ветви CD’ — графит (первичный). На линии солидуса E’C’F’ при температуре 1153°С образуется эвтектика, состоящая из графита и аустенита. Ее называют графитной эвтектикой. Линия S’E’ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. При понижении температуры в системе железо-графит из аустенита будет выделяться графит, который называют вторичным.
На линии P’S’K’ при температуре 738°С аустенит, содержащий 0,7% С (точка S’), распадается, образуя эвтектоид, состоящий из феррита и графита. Этот эвтектоид называют графитным.
После полного охлаждения структура состоит из феррита и графита (эвтектического, вторичного и эвтектоидного). Различить в микроструктуре графит различного происхождения в большинстве случаев невозможно, поскольку в процессе кристаллизации графит, получающийся при распаде аустенита, не образует самостоятельных выделений, а, наслаиваясь на имеющиеся графитные включения, увеличивает их размеры.

1. Что такое металлические сплавы? Приведите примеры сплавов.
2. Дайте определение фазы.
3. Что изображают диаграммы состояния сплавов?
4. Что называют чугуном и сталью?
5. Какие превращения в сплавах происходят при первичной кристаллизации?
6. Что такое вторичная кристаллизация?
7. В чем особенности стали, содержащей 0,8% углерода, и чугуна, содержащего 4,3% углерода?
8. В чем заключается практическое значение диаграммы железо-цементит?

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Часть диаграммы состояния сплавов железо-цементит

Диагра́мма фа́зового равнове́сия (диаграмма состоя́ния) желе́зо—углеро́д (иногда эту диаграмму называют «диаграмма железо—цементит») — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Содержание

Диаграмма состояния [ править | править код ]

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 [1] . 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.

Фазы диаграммы железо-углерод [ править | править код ]

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

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях [ источник не указан 1597 дней ] с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит имеет переменную, зависящую от температуры предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 700 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки [2] .

При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка H).

Читайте так же:
Фреза для врезки замков длинная

Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твёрдость по Бринеллю — 130 НВ) и пластичен, ферромагнитен (при отсутствии углерода) до точки Кюри — 770 °C.

Аустенит (γ) — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е). Аустенит имеет твёрдость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен. При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования [3] .

Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит — метастабильная фаза и при длительном нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.

В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:

  • цементит первичный (выделяется из жидкости),
  • цементит вторичный (выделяется из аустенита),
  • цементит третичный (из феррита),
  • цементит эвтектический и цементит.

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен [4] .

Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита. Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфер. Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твёрдости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п. [5]

Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Плотность графита (2,3 г/см 3 ) намного меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5—7,8 г/см 3 ) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.

Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфер (высокопрочный чугун).

Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности — высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и в некоторых марках стали — в так называемых графитизированных сталях.

Фазовые переходы [ править | править код ]

Линия ACD — это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии ACD — жидкий сплав. Линия AECF — это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).

По линии ликвидуса АС (при температурах, отвечающих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD — цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса AE, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита. На линии солидуса EC (1147° С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделялся аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания будут иметь структуру аустенит + ледебурит.

На линии солидуса CF (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделялся цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания будут иметь структуру — первичный цементит + ледебурит [6] .

В области ACEA, между линией ликвидуса AC и солидуса AEC, будет жидкий сплав + кристаллы аустенита. В области CDF, между линией ликвидуса CD и солидуса CF, будет жидкий сплав + кристаллы цементита (первичного). Превращения, протекающие при затвердевании сплавов, называют первичной кристаллизацией. В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14 % образуется однофазная структура — аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми [4] .

Читайте так же:
Пресс своими руками из домкрата чертежи размеры

В железоуглеродистых сплавах превращения происходят также и в твердом состоянии, называемые вторичной кристаллизацией и характеризуемые линиями GSE, PSK, PQ. Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP будет структура аустенит + феррит.

Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147 °С в аустените может раствориться углерода 2,14 %, а при 727°С — 0,8 %. С понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727°С) сталь имеет структуру: аустенит + цементит (вторичный). В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147 °С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже будет выделяться вторичный цементит. Следовательно, ниже линии EC (до температуры 727 °С) белый чугун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вторичный.

Линия PSK (727° С) — это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом. Ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры.

  • Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, имеют структуру феррит + перлит и называются доэвтектоидными сталями.
  • Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью.
  • Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % имеют структуру цементит + перлит и называются заэвтектоидными сталями.
  • Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % имеют структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими чугунами.
  • Белый чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим чугуном.
  • Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % имеют структуру цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чугунами [5] .

Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при комнатной температуре. При охлаждении ниже температуры 727° С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом третичный цементит в структуре можно не учитывать из-за весьма малых его количеств. Однако в низкоуглеродистых сталях в условиях медленного охлаждения третичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 76). Эти выделения уменьшают пластические свойства стали, особенно способность к холодной штамповке [5] .

Метастабильная диаграмма состояния железо-углерод

Изучение микроструктуры всех сталей обычно начинают с рассмотрения метастабильной диаграммы состояния железо-углерод (Fe-C) (рисунок). Ее также называют диаграммой состояния железо-цементит (железо-карбид железа). Эта диаграмма дает фундамент для понимания структуры и фазового состава как углеродистых, так и легированных сталей, а также различных термических обработок, которым они подвергаются. См., например, “работу” диаграммы состояния или, может быть, правильнее фазовой диаграммы, при кристаллизации стали в статье “Литая структура стали“.

Рисунок – Метастабильная диаграмма состояния показывает какие фазы можно ожидать в стали при различных комбинациях содержания углерода и температуры. Иногда ее называют диаграммой состояния железо-цементит.

Растворимость углерода в аустените и феррите

В низкоуглеродистом левом крае метастабильной диаграммы железо-углерод мы видим феррит (альфа-железо), который имеет максимальную растворимость 0,022 % при температуре 727 °C и аустенит (гамма-железо), который растворяет 2,11 % углерода при температуре 1148 °C. Видно, что область аустенита (гамма-железа) намного больше по сравнению с областью феррита (альфа-железа). Это ясно указывает на значительное большую растворимость углерода в аустените с максимумом 2,11 % при температуре 1148 °C.

Упрочнение углеродистых сталей, как и многих других сталей, основано именно на этой разнице в растворимости углерода в альфа-железе (феррите) и гамма-железе (аустените).

В богатой углеродом стороне метастабильной диаграммы Fe-C мы находим цементит (Fe3C). Меньший интерес, за исключением высоколегированных сталей, представляет дельта-феррит при самых высоких температурах.

Однофазные области диаграммы

Подавляющее большинство сталей имеет только две аллотропических формы железа:

  • альфа-железо с объемноцентрированной кубической (ОЦК) атомной решеткой и
  • гамма-железо с гранецентрированной кубической (ГЦК) атомной решеткой.

При комнатной температуре ОЦК феррит является устойчивым от температуры 912 °C (точка А3), при которой он превращается в ГЦК аустенит. Аустенит превращается обратно в феррит при температуре 1394 °C (точка А4).

Этот высокотемпературный феррит называют дельта-ферритом, несмотря на то, что его кристаллическая структура идентична той, что у альфа-феррита. Дельта-феррит остается устойчивым до того, как он расплавляется при температуре 1538 °C.

Читайте так же:
Монтаж трехфазного щита учета

Двухфазные области диаграммы

Области со смесью двух фаз (таких как «феррит + цементит», «аустенит + цементит» и «феррит + аустенит» находятся между однофазными областями. При самых высоких температура находятся область жидкой фазы, а ниже ее – двухфазные области – «жидкость + аустенит», «жидкость + цементит» и жидкость + дельта-феррит». При термической обработке сталей всегда избегают возникновения жидкой фазы.

Стальной участок диаграммы

«Стальной» участок диаграммы состояния железо-углерод расположен в интервале содержания углерода от 0 до 2,08 %, а «чугунный» участок – от 2,08 до 6,67 % углерода.

«Стальной» участок диаграммы железо-углерод удобно делить по содержанию углерода на три части:

  • доэвтектоидное – от 0 до 0,77 % С;
  • эвтектоидное – 0,77 % С и
  • заэвтектоидное – от 0,77 до 2,11 % С.

Эвтектоидное превращение

Очень важное фазовое превращение метастабильной диаграммы состояния железо-углерод происходит при 0,77 % углерода. Это превращения является эвтектоидным, а его продукт называется перлитом (феррит + цементит):

Гамма-железо (аустенит) —> альфа-железо (феррит) + Fe3C (цементит)

Критические температуры стали

Наиболее важные границы однофазных областей имеют специальные названия, Они включают (в международных обозначениях):

  • А1 – эвтектоидная температура, которая является минимальной температурой для аустенита;
  • А3 – низкотемпературная граница аустенита при низком содержании углерода (граница между областями «гамма-железо» и «гамма-железо + феррит»);
  • Асm – противоположная граница аустенитной области при высоком содержании углерода (граница между областями «гамма-железо» и «гамма-железо + цементит).

Иногда к обозначениям этих температур добавляют буквы c, e и r, например, Ас1, Ас3 и Аccm. Буква с обозначает, что фазовые превращения происходят при нагреве, буква e – при равновесии фаз, а буква r – при охлаждении.

Влияние легирования на критические температуры

При добавлении в железо-углеродистый сплав (сталь) легирующих элементов положение границ А1, А3 и Аcm, а также эвтектоидное содержание углерода изменяются. В общем случае элементы, которые стабилизируют аустенит (никель, марганец, азот, медь) снижают температуру А1, тогда как элементы, которые стабилизируют феррит (хром, кремний, алюминий, титан, ниобий, молибден, вольфрам) повышают температуру А1.

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.

Диаграмма состояния железо — графит.

При сравнительно быстром охлаждении расплава происходит образование цементита в процессе кристаллизации жидкого чугуна. Систему железо — цементит называют метастабильной т. е. неустойчивой, так как при определенных условиях цементит распадается на аустенит и свободный углерод в виде графита. При очень медленном охлаждении из расплава в процессе его кристаллизации углерод выделяется в виде графита. Систему железо — графит называют стабильной. Процесс кристаллизации графита в сплавах железа с углеродом называют графитизацией. Она может происходить и в твердом состоянии, поскольку цементит при высоких температурах неустойчив. В этом случае графитизация происходит в несколько накладывающихся стадий: 1) распад цементита и растворение атомов углерода в аустените; 2) образование центров графитизации в аустените; 3) диффузия атомов углерода в аустените к центрам графитиза ции; 4) рост выделений графита.

На рис. 1.26 показана совмещенная диаграмма: сплошными линиями изображена метастабильная диаграмма железо-цементит, штриховыми линиями — стабильная диаграмма железо-графит

Рис. 1.26. Диаграмма состояния железо — графит

По диаграмме железо цементит в области чугунов получают белые чугуны, а по диаграмме железографит -серые чугуны. На диаграмме железо -графит горизонтальные линии E’C’F’ и P’S’K’ лежат несколько выше, а наклонные линии CD’ и E’S’ — несколько левее соответствующих линий диаграммы желез -цементит.

На диаграмме железо-графит линия ACD’- линия ликвидуса. При охлаждении расплава по ветви АС выделяется аустенит, а по ветви CD’ — графит (первичный). На линии солидуса E’C’F’ при температуре 1153°С образуется эвтектика, состоящая из графита и аустенита. Ее называют графитной эвтектикой. Линия S’E’ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. При пониже­нии температуры в системе железо-графит из аустенита будет выделяться графит, который называют вторичным.

На линии P’S’K’ при температуре 738°С аустенит, содержащий 0,7% С (точка S’), распадается, образуя эвтектоид, состоящий из феррита и графита. Этот эвтектоид называют графитным После полного охлаждения структура состоит из феррита и графита (эвтектического, вторичного и эвтектоидного). Различить в микроструктуре графит различного происхождения в боль­шинстве случаев невозможно, поскольку в процессе кристаллизации графит, получающийся при распаде аустенита, не образует самостоятельных выделений, а, наслаиваясь на имеющиеся графитные включения, увеличивает их размеры.

Читайте так же:
Состав для холодного цинкования гальванол

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

«Анализ диаграммы состояния сплавов железо-цементит»

Цель работы:Закрепить теоретические знания по теме «Диаграмма состояния сплавов железо-цементит». Научиться анализировать состояния сплавов с различным содержанием углерода при различных температурах с построением кривых охлаждения.

Задание:

1.Вычертить диаграмму состояния сплавов железо-цементит.

2. Сделать анализ состояния железоуглеродистых сплавов со следующим содержанием углерода:

1 вариант 4,3% С при t = 900°С

0,l%C при t = 750°C

2 вариант 2,0% С при t = 900°С

0,8% С при t = 600°С

3 вариант 5,5% С при t = 800°С

0,01%С при t = 200°С

3. Для уяснения механизма образования структур стали проследить процесс медленного охлаждения сплавов содержащих:

1 вариант 0,3% С 1,3% С 3% С

2 вариант 0,8% С 2% С 5% С

3 вариант 0,5% С 1,8% С 4,5% С

4. Построить кривые охлаждения для заданных сплавов.

5. На каждом участке кривой охлаждения первого сплава указать названия фаз, а на кривых охлаждения 2-го и 3-го сплавов — названия структурных составляющих.

Методические указания.

Диаграмма состояния сплавов железо-цементит дает возможность установить изменение в строении сплава при его нагревании или охлаждении, определить положение критических точек, названия фаз и структурных составляющих, а также количество каждой из них при заданной температуре.

Все эти сведения необходимы для назначения режима термической обработки сплавов, а также для определения свойств сплавов.

Диаграмма состояния сплавов железо-цементит (рис. 1.27) состоит из нескольких областей образованных линиями диаграмм. Каждая такая область характеризуется определенным структурным состоянием и соответствующим ему содержанием углерода. Она включает одну или две фазы, которые, в свою очередь, в твердом состоянии образуют структурные составляющие.

В зависимости от скорости охлаждения сплавы могут находиться в стабильном или метастабильном состоянии. Первое у них наиболее устойчивое и образуется в условиях медленного охлаждения сплава, при которых фазовые превращения успевают произойти полностью. В сплавах железо-углерод стабильное состояние характеризуется наличием фазы графита, а метастабильно наличием фазы цементита (ибо возможен распад цементита Fe3C).

В системе железо-цементит фазами метастабильного состояния будут:

а) жидкость г) цементит

б) α γ — железо д) феррит в)аустенит

При этом в температурном интервале от 0°С до 727°С все сплавы состоят из двух фаз феррита и цементита.

Структурная составляющая — это элемент структуры, состоящей их 1-ой или более фаз. Структурными составляющими будут

а) α γ — железо в) цементит д) перлит

б) аустенит г) феррит е) ледебурит

Две последние составляющие будут двухфазными, а остальные -однофазными. На диаграмме указаны названия структурных составляющих, а следовательно, и структур, образуемых двумя фазами в указанных областях.

Линии диаграммы отвечают положению критических точек, а последние -фазовым превращениям, т.е. кристаллизации или плавлению.

Если критическая точка расположена на наклонной линии (например PQ). то сплав состоит из двух фаз; если — на горизонтальной линии (например PSK или ECF), то сплав будет трехфазным.

Наклонные линии диаграммы отвечают фазовым превращениям, совершающимся при переменной температуре. Такие превращения на кривой охлаждения изображаются наклонным участком.

Горизонтальные линии диаграммы показывают фазовые превращения, совершающиеся, при постоянной температуре. Они изображаются на кривой охлаждения горизонтальным участком.

При охлаждении железоуглеродистых сплавов в основном различают следующие превращения, совершающиеся при постоянных температурах: Эвтектоидное при температуре, соответствующей линии PSK. Это превращение совершается в твердом состоянии — фаза аустенита концентрации, соответствующей точки S(C=0,08%) распадается с образованием равномерной механической смеси двух фаз: феррита и цементита. Механическая смесь этих двух фаз называется перлитом.В результате эвтектоидного превращения ледебурит при температурах ниже 727°С состоит из перлита и цементита.

Эвтектическое — при температуре, соответствующей линии ECF. Из жидкости, где концентрация углерода 4,3%, при охлаждении образуется эвтектика, называемая ледебуритом(аустенит + цементит).

Пример 1.

Сделать анализ состояния сплава с содержанием углерода 4,6% при

Ответ: На диаграмме точка 1

1 (4,6%С; 1150°С) — жидкий сплав + цементит I.

Пример 2.

Проследить процесс медленного охлаждения сплава, содержащего 4%С.

Ответ: Сплав, содержащий 4%С называется доэвтектический чугун.

Т 1 — жидкий сплав.

т 1-2 — жидкий сплав + кристаллы аустенита.

т 2 — при температуре 1147°С — окончательное затвердевание чугуна.

т 2-3 — структура аустенит + ледебурит + цементит II.

т 3 — оставшийся аустенит при температуре 727°С превращается в перлит ледебурит + цементит II.

Пример 3

Построить кривые охлаждения для заданных сплавов.

Читайте так же:
Учебные токарные станки по металлу

Пример 4

Вычертить диаграмму состояния системы Fe-Fe3 C.

Вывод: Таким образом, структура доэвтектических чугунов после медленного охлаждения состоит из перлита, ледебурита и цементита II.

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) железо-углерод (иногда говорят железо-цементит) — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до цементита. Поскольку цементит фаза метастабильная, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке). Для серых чугунов и графитизированных сталей необходимо рассматривать стабильную диаграмму железо-графит (Fe-Гр), поскольку именно графит является стабильной фазой. Цементит образуется намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго. 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 соответсвующие точки обозначены штрихом. (Отметим, что обозначения фаз и точек на этой диаграмме подчиняются молчаливому международному соглашению.)

Фазы диаграммы железо — цементит

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

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

2. Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с ОЦК (объемно-центрированной кубической) решеткой.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 727 °C (точка P). Атомы углерода располагается в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине ребер куба, а также в дефектах решетки.

При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка I)

Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость — 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсуствии углерода) до 770 °C.

3. Аустенит (γ) — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решеткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен.

При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.

4. Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Он твердый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.

В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:

  •  — цементит первичный (выделяется из жидкости),
  •  — цементит вторичный (выделяется из аустенита),
  •  — цементит третичный (из феррита),
  •  — цементит эвтектический и
  •  — эвтектоидный цементит.

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зернами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.

Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.

Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твердости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.

5. Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решеткой. Плотность графита (2,3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5 — 7,8) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.

Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфероидов (высокопрочный чугун).

Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности — высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и некоторых марках стали — в графитизированных сталях.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector