8. Д иаграмма состояния железо-углерод (метастабильная д иаграмма)

КОМПОНЕНТЫ ДИАГРАММЫ

_I

₁

Ж елезо - переходный металл серого цвета, находится в VIII группе периодической системы, атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Температура плавле­ния 1539°С.

Имеет две полиморфные модификации: Fe_a (Fe₈) - решетка ОЦК; Полиморфные превращения

проходят при температурах.

911⁹С - Fe_a++Fe_r

1392°С - Fe_r о Fe₃

При 768°С - точка Кюри (маг­нитное превращение) - переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Это превра­щение не связано с изменением типа кристаллической решетки и имеет электронную природу. Чистое железо (99,9917 % Fe) имеет твердость НВ 490 Мпа, плотность 7,874 г/м³, оно пла­стично (5-40 - 45 %). Техническое железо содержит 99,9 % Fe.

Углерод – неметаллический элемент, 2 период, IV группа периодической системы, атомный номер 6, атомная масса 12, плотность 2,5 г/см³, атом­ный радиус 0,077 нм, температура плавления 3500⁰С.

Обладает полиморфизмом, в обыч­ных условиях может существовать в виде графита и алмаза. Графит является устойчивой алло­тропической формой в обычных ус­ловиях.

Углерод в виде графита имеет слои­стую кристаллическую решетку.

Между атомами углерода каждого слоя действуют ковалентные связи, т.к. межатомные расстояния очень малы.

Слои находятся на больших расстоя­ниях друг от друга.

40

41

ФАЗЫ СИСТЕМЫ

Углерод взаимодействует с железом, образуя фазы системы.

Углерод неограниченно

растворим в жидком железе, образуя жидкую фазу – не­ограниченный жидкий рас-тв о р с (Fe).

Химическое соединение – цементит – Fe₃C образуется при содержании углерода 6,67 %, имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов.

Имеет очень высокую тв ер- дость, хрупок. Условная температура плавления

1500⁰С.

Цементит (Ц) - Fe₃C может диссоциировать на железо и графит: Fe₃C → 3Fe + С(Г)

Углерод растворим в твердом железе Fe_a и Fe_T, образуя ограниченные твер­дые растворы с (Fe). Феррит - (а) - твердый раствор внедре­ния углерода в железе а. Максимальная растворимость - о,02 % при 727 С, минимальная - 0,006 % при

Аус тенит немагнитен, пластичен.

Низкотемпературный феррит (а), высо­котемпературный (5). Имеет ОЦК ре­шетку, мягок, пластичен. Аустенит - (у) - твердый раствор вне­дрения углерода в железе у. Максимальная растворимость - 2,14 % при 1147°С, минимальная - 0,8 % при 727°С. Имеет решетку ГЦК.

Диаграмма состояния железо-углерод может характеризо­вать как метастабильное равновесие системы (Fe- Fe₃C), так и стабильное – Fe-графит).

42

Х АРАКТЕРИСТИКА ОТДЕЛЬНЫХ ТОЧЕК И ЛИНИЙ НА ДИАГРАММЕ Fе- Fе₃C

ABCD - линия ликвидус (начало кристаллизации);

АВ - выделение L^5, ВС - выделение L^y, СD - выделение L^ Fe₃Ci -

цементита первичного;

AHJEF - линия солидус - (конец кристаллизации);

НJB - линия перитектического превращения - 1500 С

ЕСF - линия эвтектического превращения - 1147°С

L_c ^у_е + ¥&₃С;

L_c - ледебурит;

с - эвтектическая точка 4,3 %С.

Ледебурит - эвтектическая смесь аустенита и цементита. РSK - линия эвтектоидного превращения - 727 С

y_s -> а_р + Fe₃C;

Ys- перлит;

S - эвтектоидная точка 0,8 %С; Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита.

ЕS - линия изменения растворимости углерода в у железе и выделения це­ментита вторичного БезСц.

Максимальная растворимость - 2,14 % при 1147°. Минимальная растворимость - 0,8 % при 727°.

РQ - линия изменения растворимости углерода в а железе и выделения цементита третичного РезС_Ш Максимальная растворимость - 0,02 % при 727°. Минимальная растворимость - 0,008 % при комнатной температуре. GQ - линия начала полиморфного превращения Fe_Y^Fe_a (при охлажде­нии); GP - линия конца полиморфного превращения Fe_Y^Fe_a.

Температуры, с о о тв етс тв ующие определенным линиям диаграммы состояния Fe-Fe₃C, назы­вают критичес кими то ч к ам и. Эти то ч к и имеют международное обозначение – А_r (при охлаж­дении) и А_с (при нагреве) от начальных букв французских слов А – arrêt (остановка, пло­щадка), r – refroidissеment (охлаждение), с – chauffage (нагрев).

43

К ритические точки сплавов железо-углерод соответствуют линиям диа­граммы Fe-Fe₃C

А₁(Аr₁ Ac1) - линия PSK (727°С) - перлитное превращение;

А₂(Аг₂, Ас₂) - линия МО (728°С) - магнитное превращение, точка Кюри;

А₃(Аг₃, Ас₃) - линия GS', полиморфное сс-уу превращение;

А4(Аг₄, Ас₄) - линия NH, полиморфное у^5 превращение;

Ап(Агт, Аст) - линия SE, выделение цементита вторичного.

Для чистого железа к ритичес к ие то ч к и : А₂ – 728⁰С, А₃ – 911⁰С, А₄ – 1392⁰С

Кривая охлаж ден ия чистого железа

_I

С увеличением содержания углерода в сплавах железо-углерод температура критичес кой то ч к и А₃ с нижается, а А₄ повышается. Значение то ч е к А₁ и А₂ не меняется.

44

В зависимости от содержания углерода железоуглеро­дистые сплавы подразделяются на тр и группы - тех­ническое железо, стали и чугуны.

Техническое железо - ≤0,02 % угле­рода, структура – феррит или феррит и Fe₃C_III (третичный цементит).

С тали - сплавы с содержанием углерода от 0,02 до 2,14 %. Структура сталей формируется с прохождением эвтектоидного превращения:

y_s -> а_р + Fe₃C (перлит). По содержанию углерода стали подразделяются на:

- доэвтектоидные 0,02 - 0,8 %С. Структура феррит + перлит;

- эвтектоидная - 0,8 % С, структура - перлит (П);

- заэвтектоидные - 0,8 - 2,14 %С.

Структура - перлит + цементит вторичный (Fe₃C_n).

С увеличением углерода в ста­лях количество феррита уменьшается, а количество пер­лита увеличивается, что приво­дит к повышению твердости, прочности и снижению пла­стичности стали.

Белые чугуны – сплавы с содержа­нием углерода больше 2,14 % С. Формирование структуры проис­ходит при эвтектическом и эвтек-тоидном превращении, с образова­нием структурных составляющих ледебурита и перлита. По содержанию углерода белые чу-гуны подразделяются на:

• доэвтектические – 2,14 – 4,3 %С. Структура - перлит + ледебурит;

• эвтектический – 4,3 % С. Струк­тура 100 % ледебурита;

• заэвтектические – 4,3 – 6,67 %С. Структура – ледебурит + цементит первичный (Fe₃C_I). Ледебурит и цементит – хрупкие структурные составляющие, опре­деляющие хрупкость белых чугу-нов.

Чугуны обладают хорошими ли­тейными свойствами, имеют мень­шую усадку, что объясняется при-сутс тв ие м легкоплавкой эвтектики – ледебурита.

Цементит вторичный Fe₃C_II и цементит третичный Fe₃C_III выде­ляются за счет уменьшения растворимости углерода в аустените и феррите при охлаждении.

45

МИКРОСТРУКТУРА СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Fe – Fe-Fe₃C

Техническое железо Fe3CIII

фазы (α, Fe₃C)

Доэвтектоидная сталь

.феррит (а) + перлит

фазы (α, Fe₃C)

Эвтектоидная сталь

перлит (α+ Fe₃C)

фазы (α, Fe₃C)

Белые чугуны – весь углерод находит­ся в связанном состоянии в виде Fe₃C.

Доэвтектический

пер лит +

ледебурит

фазы (α, Fe₃C)

Эвтектический

ледебурит фазы (α, Fe₃C)

Заэвтектический

Заэвтектоидная сталь

перлит Fe₃C_II

фазы (α, Fe₃C)

Ледебурит + Fe₃C фазы (α, Fe₃C)

_I

_I

Фазовый состав всех сплавов при температурах ниже 727⁰С одинаков у всех сталей и чугунов - α и Fe₃C; c увеличением количества углеро­да α фазы становится меньше, а количество цементита возрастает.

46

Сталь является многокомпонентным сплавом, со-> держащим кроме углерода ряд постоянных и тех­нологических примесей, влияющих на ее свойства.

I

Влияние углерода - с увеличени­ем содержания углерода в струк­туре стали увеличивается коли­чество цементита РезС, что при­водит к возрастанию твердости, прочности, но потере пластично­сти.

Твердые хрупкие частицы це­ментита повышают сопротивле­ние движению дис локаций, т.е. повышают сопротивление пла-

стическому деформированию. Увеличение количества углерода повышает порог хладноломко­сти, снижает теплопроводность, растет электрическое сопротив­ление и коэрцитивная сила.

*

Влияние примесей - примеси по­падают в сталь при выплавке при раскислении или из шихты. Постоянные примеси: Мп до 0,8 %, Si до 0,3 % - полез­ные примеси, попадают в сталь при раскислении. Они растворя­ются в феррите, упрочняя его, од­нако Si снижает пластичность и способность стали к вытяжке. Марганец резко уменьшает крас­ноломкость стали, вызванную влиянием серы.

S <0,04 %, Р>0,03 % - вредные примеси, попадают в сталь из шихты.

Сера является причиной красно­ломкости - межзеренного разру­шения при горячей пластической деформации, включения серы (сульфиды) снижают вязкость и пластичность, а также <5.₁. Фосфор вызывает хладнолом­кость, т.к. повышает температур­ный порог хладноломкости и об­разует сегрегации по границам зерна.

Газовые примеси - Н₂, N₂, 0₂, в количестве < 0,008 % - образуют неметаллические включения - ок­сиды FeO, Fe₂0₃, Si0₂, нитриды, газовые пузыри, что ухудшает свойства стали. Водород сильно охрупчивает сталь.

47

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ

87. Какие фазы образуются в метастабильной системе железо-углерод? Дать их характеристику.

88. Напишите эвтектическую и эвтектоидную реакции системы Fe-Fe₃C. Какие структурные составляющие при этом образуются? (Система метастабильная).

89. Что так о е критическая то ч к а стали? Какие критичес кие то ч к и при охлажде­нии вы знаете?

90. Что так ое сталь? Как подразделяются стали в зависимости от содержания уг­лерода?

91. Структура стали, содержащей 0,45 % С при Т⁰_ком; при 900⁰С?

92. Что та к о е эвтектоидная сталь, какова ее структура?

93. Какие стали являются заэвтектоидными, какова структура этой стали?

94. Что так ое белый чугун и как подразделяются чугуны по содержанию углеро­да?

95. Структура белых чугунов: 3 %С, 3,8 %С, 4,3 %С, 5 %С?

96. Как меняется структурный и фазовый состав сплавов в зависимости от со­держания углерода. Как это влияет на свойства?

97. Что та к о е цементит первичный, вторичный?

98. Какие примеси могут присутствовать в составе стали и как они влияют на свойства?

Задача № 1

Постройте кривую охлаждения для стали с 4 %С и объясните процессы образования структуры в этой стали.

Задача № 2

Какую структуру будет иметь сталь с содержанием углерода 1,2 % при температуре 750⁰С? Что изменится в структуре этой стали, если ее нагреть еще выше – до температуры 950⁰С?

Задача № 3

Что происходит в структуре стали с 3,6 %С при охлаждении в его интер­вале температур между линиями ECF и PSK диаграммы?

Задача № 4

Какие фазы и структурные составляющие можно получить в сплаве с 0,01 % при его охлаждении от 1550⁰С до комнатной температуры? Какие фазо­вые превращения при этом проходят в сплаве?

Задача № 5

Определить состав эвтектоида в сплаве с 0,7 %С, если сплав был переох­лажден до 700⁰С.

48