ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ НАИБОЛЕЕ ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ СТУДЕНТАМИ.

1. Диаграмма состояния железо-углерод. Структуры и фазы в системе Fe-c. Влияние углерода и примесей на свойства стали.

ОТВЕТ. Компоненты и фазы в системе Fe-C

Железо: Тпл=1539ºС, две модификации Feα c ОЦК-решёткой, а=0,286 нм, существует до 910ºС и Feγ существует в диапазоне 910..1392ºС. Железо ферромагнитно при температурах ниже 768ºС (точка Кюри).

Углерод: элемент IV группы таблицы Д.И. Менделеева, с железом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение Fe3C.

Фазы: жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит, графит.

Феррит – твердый раствор углерода в Feα.

Аустенит – твердый раствор углерода в Feγ.

Цементит – Fe₃С (6,67% С) – карбид железа, решетка сложная ромбическая, высокая твердость, хрупок, Т_пл=1250˚С. Цементит - метастабильная фаза, при высокой температуре разлагается на железо и графит.

Графит – углерод в твердом состоянии. Графит – стабильная фаза, плотность - 2,5 г/см³, решетка гексагональная, слоистая, анизотропен, низкая твердость и прочность, высокая химическая стойкость. Графит присутствует в качестве самостоятельной фазы в серых чугунах

Диаграмма состояния железо-цементит

В реальных условиях охлаждения углерод в железоуглеродистых сплавах находится в метастабильной фазе в виде цементита Fe₃C. Диаграмма Fe-Fe₃C соответствует метастабильному равновесию системы железо-углерод.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния железо-цементит (метастабильная)

Основные критические точки и линии диаграммы (рис. 19):

точка А – температура плавления чистого железа 1539°С;

точка D – температура распада цементита 1250°С;

точка G – 910°С (А₃) – температура полиморфного α↔γ превращения железа;

точка N – 1392°С (А₄) – температура полиморфного γ↔δ превращения железа;

ABCD – линия ликвидус;

AJECF – линия солидус;

ES – линия переменной растворимости углерода в аустените;

PQ – линия переменной растворимости углерода в феррите;

точка Е – предельная растворимость углерода в аустените (2,14% С);

точка Р – предельная растворимость углерода в феррите (0,02% С);

Превращения при охлаждении сплавов:

1. Кристаллизация начинается по линии ликвидус ABCD: по линии ВС из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита, а по линии СD – кристаллы первичного цементита Ц_I. Кристаллизация заканчивается на линии солидус AJECF.

2. Эвтектическое превращение. На линии ECF (1147°C) в точке С жидкая фаза кристаллизуется в эвтектику ледебурит – смесь двух твердых фаз, аустенита и цементита

Ж_4,3%С→А_2,14%С + Ц_6,67%С. – ледебурит

Сплав со структурой ледебурита (4,3%С) называют эвтектическим. Сплавы с содержанием С < 4,3% называют доэвтектическими, их структура – аустенит+ледебурит. При содержании С > 4,3% – заэвтектическими со структурой ледебурит+цементит первичный.

3. Полиморфное превращение АФ происходит в сплавах с содержанием углерода менее 0,8%С. Начало превращения соответствует линии GS (А₃), конец превращения – линиям GP и PS.

4. Распад твёрдых растворов: аустенита с выделением цементита вторичного Ц_II идет по линии SE - линии переменной растворимости углерода в -железе (А_cm) и феррита с выделением цементита третичного Ц_III по линии PQ - линии переменной растворимости углерода в -железе.

5. Эвтектоидное превращение протекает при 727°C по линии PSK (A₁). Аустенит с содержанием углерода 0,8%С превращается в эвтектоид перлит

А_0,8%С Ф_0,02%С+Ц_6,67%С.

Перлит – это эвтектоидная смесь феррита с цементитом.

Сплав с концентрацией углерода 0,8%С и структурой перлита называют эвтектоидным. Сплавы с концентрацией углерода от 0,02% до 0,8%С – доэвтектоидные со структурой перлит+феррит. Сплавы с концентрацией углерода от 0,8% до 2,14%С – заэвтектоидные, их структура - перлит+цементит вторичный.

Структуры железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии

Различают три группы сплавов железа с углеродом: техническое железо, стали и чугуны.

Техническое железо – сплавы с содержанием углерода менее 0,02%, их структура: Ф+Ц_III (Рис. 20а).

Стали –сплавы с содержанием углерода от 0,02% до 2,14%С:

• доэвтектоидные стали, 0,02%<С<0,8%, их структура - Ф+П (Рис.20 б,в);

• эвтектоидная сталь содержит 08%С, структура - П (Рис.20 б,г);

• заэвтектоидные стали, 0,8%<%С<2,14%, структура - П+Ц_II (Рис.20 д,е).

Чугуны – сплавы с содержанием углерода от 2,14% до 6,67%С. Чугуны, в которых весь углерод находится в виде цементита, называют белыми:

• - доэвтектические белые чугуны, 2,14%<%С<4,3%, структура П+Л+Ц_II (Рис.20 ж);

• - эвтектический белый чугун, 4,3%С, структура – Л (Рис.20 з);

• - заэвтектические белые чугуны, 4,3%<%С<6,67%, структура – Л+Ц_I (Рис.20 и).

Белые чугуны из-за высокой хрупкости в промышленности не применяют, их используют для производства сталей и серых чугунов.