19.Фазы и структурные составляющие сплавов Fe-c (Fe3c) : определения , характеристики свойства.
В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы могут содержать следующие фазы: аустенит, феррит, цементит и графит. Структурные составляющие них сплавах могут состоять из одних этих фаз, а также из их смесей (ледебурита — эвтектическая смесь аустенита и цементита; перлита — эвтектоидная смесь феррита и цементита).
Аустенит является твердым раствором углерода в γ-железе. Предельная концентрация углерода в аустените составляет 0% при 1145°. С понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается до 0,08%. Такую предельную концентрацию аустенит имеет при 723°. Эта температура является одновременно нижней границей существования устойчивого аустенита в углеродистых сталях. Сталь, имеющая структуру аустенита, немагнитна и обладает большой пластичностью.
Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. В α-железе при 700° растворяется до 0,02% углерода, феррит характеризуется незначительными величинами твердости и прочности и высокой пластичностью.Механические свойства феррита сильно зависят от величины зерна.
Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fе3С. Цементит содержит около 6,67% И и рода, весьма тверд и хрупок. Твердость его приближается его к НВ — 800. Цементит — нестабильное (эндотермическое) соединение и может в определенных условиях разлагаться.
Перлитом называют механическую смесь феррита и цементита, образующуюся при эвтектоидном распаде медленно охлаждаемого аустенита. Концентрация углерода в перлите составляет 0,80%. Твердость перлита НВ 180 ÷ 220. Сталь, содержащая 0,80%С, имеет чисто перлитную структуру.
Ледебурит — это механическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава, содержащего 4,3%С. Так как при температуре 723° аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Таким образом, ниже 723° ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементитом, смесь перлита с цементитом.
Графит представляет собой свободный углерод, расположенный в основной массе металла в виде пластинок или зерен. Он образуется либо за счет распада цементита, либо выделяется н I пересыщенных жидких или твердых растворов.
Кроме указанных структурных составляющих, в технических железоуглеродистых сплавах наблюдаются в небольшом количестве и другиефазы — сульфиды, фосфиды, окислы, нитриды и структурные составляющие на их основе (например, фосфидная ввтектика в чугуне).
20.Диаграмма фазового равновесия железо-углерод : реакции равновесия в системе. Диаграмма состояния железо—углерод (Fe—с)
На диаграмме состояния железо—углерод (рис. 2) приведен фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % С).Система Fe—Fe3C метастабильная. Образование цементита вместо графита дает меньший выигрыш свободной энергии, однако кинетическое образование карбида железа более вероятно.
Рис. 2. Диаграма железо-углерод
На диаграмме Fe—Fe3C точка А (1539 °С) отвечает температуре плавления железа, а точка D (1500 °С) — температуре плавления цементита. Точки N (1392 °С) и G (910 °С) соответствуют полиморфному превращению α - γ.Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния Fe—Fe3C следующая: В — 0,51 % С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ-ферритом и аустенитом при перитектической температуре 1499 °С; Н — 0,1 % С предельное содержание в δ-феррите при 1490 °С; J — 0,16 % С — в аустените при перитектической температуре 1490 °С; Е — 2,14 % С предельное содержание в аустените при эвтектической температуре 1147 °С; S — 0,8 % С в аустените при эвтектоидной температуре 727 °С; Р — 0,02 % С — предельное содержание в феррите при эвтектоидной температуре 727 °С.Кристаллизация сплавов Fe—Fe3C. Линии диаграммы состояния Fe—Fe3C, определяющие процесс кристаллизации имеют следующие обозначения и физический смысл.АВ (линия ликвидус) показывает температуру начала кристаллизации δ-феррита из жидкого сплава; CD (линия ликвидус) соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита из жидкого сплава; АН (линия солидус) является температурной границей области жидкого сплава и кристаллов δ-феррита; ниже этой линии существует только δ-феррит; HJB — линия перитектического нонвариантного (С = 0) равновесия (1490 °С); по достижении температуры, соответствующей линии HJB, протекает перитектическая реакция (жидкость состава В взаимодействует с кристаллами δ-феррита состава Н с образованием аустенита состава J; линия ECF (линия солидус) соответствует кристаллизации эвтектики — ледебурит.Сплавы, содержащие до 2,14 % С, называют сталью, а более 2,14 % С, чугуном. Принятое разграничение между сталью и чугуном совпадает с предельной растворимостью углерода в аустените. Стали после затвердевания не содержат хрупкой структурной составляющей — ледебурита и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т. е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами.По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами и, в частности, более низкими температурами плавления, имеют меньшую усадку. Это объясняется присутствием в структуре чугунов легкоплавкой эвтектики (ледебурита).Фазовые и структурные изменения в сплавах Fe—Fe3C после затвердевания связаны с полиморфизмом железа и изменением растворимости углерода в аустените и феррите с понижением температуры. Превращения, протекающие в твердом состоянии, описываются следующими линиями. Линия NH — верхняя граница области сосуществования двух фаз — б-феррита и аустенита. При охлаждении эта линия соответствует температурам начала полиморфного превращения б-феррита в аустенит. Линия NJ — нижняя граница области сосуществования б-феррита н аустенита, пои охлаждении соответствует температурам окончания превращения 6-феррита в аустенит. Верхняя граница области сосуществования феррита (в парамагнитном состоянии) и аустенита соответствует линии GO т е. температурам начала γ - α-превращения с образованием парамагнитного феррита. Линия 05 — верхняя граница области сосуществования феррита (в ферромагнитном состоянии) и аустенита; при охлаждении эта линия соответствует температурам γ - α-превращения с образованием ферромагнитного феррита. Температуры, соответствующие линии GOS в условиях равновесия, принято обозначать А3.В сталях, содержащих до 0,8 % С, полиморфное у +± а-превращение протекает в интервале температур и сопровождается перераспределением углерода между ферритом и аустенитом. Линия предельной растворимости углерода в аустените SE при охлаждении соответствует температурам начала выделения из аустенита вторичного цементита, а при нагреве — концу растворения вторичного цементита в аустените. Принято критические точки, соответствующие линии SE, обозначать Аст. Линия QP — при охлаждении отвечает температурам окончания превращения аустенита в феррит, а при нагреве — началу превращения феррита в аустенит.Температура точки Кюри — линия МО; при охлаждении парамагнитный феррит превращается в ферромагнитный, а при нагреве — наоборот. Температуру, соответствующую линии МО, обозначают А2. Линия эвтектоидного превращения PSK при охлаждении соответствует распаду аустенита (0,8 % С) с образованием эвтектоида — ферритоцементитной структуры, получившей название перлитКритические температурные точки, соответствующие линии PSK при охлаждении, обозначают Аr1, а при нагреве Ас1.Стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С, называют доэвтектоидными. Как указывалось выше, эти стали после окончания кристаллизации состоят из аустенита, который не претерпевает изменений при охлаждении вплоть до температур, соответствующих линии G0S. Сталь, содержащую 0,8 % С, называют эвтектоидной. В этой стали по достижении температуры 727 °С (точка S) весь аустенит превращается в перлит.Стали, содержащие углерод от 0,8 до 2,14 %, называют заэвтектоидными. Выше линии ES в этих сплавах будет только аустенит.