67172

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ: ФАЗЫ, СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

Лекция

Производство и промышленные технологии

Соединение Fe3С цементит неустойчиво метастабильно и при соответствующих условиях медленном охлаждении возможна кристаллизация из жидкости свободного углерода в виде графита. Железо-углеродистые сплавы содержащие 667 С могут кристаллизоваться по двум типам диаграмм...

Русский

2014-09-04

53.5 KB

36 чел.

Тема № 6

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ:

ФАЗЫ, СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

Железоуглеродистые сплавы - сложные системы, состоящие из 5-6 и более компонентов. Один из них попадает в сплавы в процессе металлургического передела (кремний, сера, фосфор, кислород, водород и др.) - примеси, другие специально вводятся в сплавы для изменения их свойств в нужном направлении (хром, никель, молибден, вольфрам и др.) - легирующие элементы.

Основными элементами, определяющими структуру и свойства, являются железо и углерод. Поэтому эти сложные сплавы рассматриваются как двойные - железо-углерод, а влияние примесей и легирующих элементов рассматривается самостоятельно в соответствующих разделах. На практике применяются сплавы, содержащие < 6% С.

Соединение Fe3С (цементит) неустойчиво (метастабильно) и при соответствующих условиях (медленном охлаждении) возможна кристаллизация из жидкости свободного углерода в виде графита. Железоуглеродистые сплавы, содержащие < 6,67% С могут кристаллизоваться по двум типам диаграмм: метастабильной - Fe - Fe3C, когда свободного углерода не образуется, и стабильной, Fe - С, когда возможно выделение свободного углерода из жидкости или в результате распада цементита. Эти диаграммы изображают на одном графике, линии метастабильной диаграммы сплошные, стабильной пунктирные.

Железо - переходный металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 1,27 А, электронная формула 1S2 2S2 2Р6 3S2 ЗР6 3D6 4S2. Чистое железо содержит 0.001% примесей, техническое железо (армко) - 0,1 % примесей. Температура плавления - 1539 С, кипения - 3200 С.

В твердом состоянии в зависимости от температуры Fe иметь две полиморфные модификации альфа и гамма: Fe – α существует при температурах ниже 910о С и выше 1392 Со. В интервале 1392-1539 Со Fe - α часто обозначают как Fe – γ.

Кристаллическая решетка Fe - α объемноцентрированный куб с периодом решетки 2,8606 А.

До 768о С (точка Кюри) она ферромагнитна, при более высоких температурах - паромагнитна.

Кристаллическая решетка Fe- γ - гранецентрированный куб с периодом решетки 3,645 А. Плотность более высокая - 8,0 - 8,1 г/смЗ. Это значит, что при полиморфном превращении альфа --> гамма происходит сжатие, объемный эффект - 1% .

Полиморфное превращение связано с различием в изменении величины свободной энергии решетки ОЦК И ГЦК с температурой.

Температуры превращения в твердом состоянии называются критическими точками и обозначается буквой А с соответствующими индексами. Ас и Аг не совпадают вследствие теплового гистерезиса (все превращения происходят при некотором нагреве или переохлаждении).

Свойства технического железа при 200 С: НВ 80; 220-250 МПа.

Углерод. В природе встречается в двух аллотропических формах - алмаз и графит, атомный номер 6, плотность 2,5 г/смЗ, атомная масса 12, , атомный радиус 0,77 А, температура плавления 35000 С. Углерод полиморфен. При атмосферном давлении устойчивая модификация графит. Решетка графита гексагональная, структура слоистая. Слабые связи между параллельными слоями атомов и очень прочные (ковалентные) - между атомами внутри слоя.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения карбида железа- цементита, а в высокоуглеродистых сплавах в виде графита.

В системе железо-углерод различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы внедрения - феррит и аустенит, химические соединения - цементит и графит.

Феррит(Ф) - твердый раствор внедрения углерода (и других примесей) в железе, решетка, ОЦК. Различают альфа-феррит с максимальной растворимостью углерода 0,025% (при 7270С) и минимальной растворимостью 0,006% (при 200 С), и высокотемпературный - феррит с предельной растворимостью углерода 0,1% (при 14990С).

Атомы углерода располагаются в решетке феррита в центре грани куба, где имеется максимальная пора. Механические свойства альфа -феррита близки к свойствам армко-железа,. До 7680 С ферромагнитен.

 Аустенит (А)- твердый раствор внедрения углерода (и других примесей) в гамма-железе решетка ГЦК. Предельная растворимость - 2,14 (при 1147° С). Атомы углерода в решетке гамма - железа располагаются в центре элементарной ячейки, где может поместиться сфера радиусом 0,41 атомного радиуса железа,т.е. близкая к атомному радиусу углерода и в дефектных областях кристалла. Аустенит обладает высокой пластичностью и сравнительно низкой прочностью.

Цементит (Ц) - карбид железа, имеет сложную орторомбическую решетку. Температура плавления из-за его метастабильности при высоких температурах точно не установлена (1250-15500С). До 2210С (А) ферромагнитен.

Цементит имеет очень высокую твердость ( > НВ 800) и практически нулевую пластичность. Он может образовывать твердые растворы замещения и внедрения с другими элементами. При замещении атомов железа атомами других металлов образуется легированный цементит (Fe, W, Сг) . Графит - о его строениях свойствах рассказано выше.

Диаграмма Fe-Fe3C

Рис. 6.1. Диаграмма Fe-Fe3C

Ось абсцисс двойная: показано содержание углерода и цементита. Уменьшение содержания углерода на 15% дает содержание цементита в любом сплаве в % по массе. Все сплавы в данной системе можно разбить на две группы: сплавы, содержащие до 2,14% называются сталями, сплавы, содержащие > 2,14% С - чугунами.

Точки А и Д соответствуют температурам плавления железа и цементита. Точки N (13920С) и (9100С) соответствуют полиморфному превращению, в чистом железе.

Линия АВСД - линия ликвидус. Участок АВ показывает температуру начала кристаллизации из жидкого сплава - феррита, ВС - температуру кристаллизации аустенита, СД - температуру кристаллизации первичного цементита (П1).

Линия AHJBECF -линия солидус. Ниже участка АН сплав затвердел и существует только феррит; HJB - линия перетектического превращения (равновесия).

Линия ECF (солидус) - линия эвтектического превращения (равновесия) соответствует кристаллизации из жидкости эвтектики, состоящей из кристаллов А и Ц - ледебурита (Л)

В ледебурите всегда 4,3% углерода, и он образуется при постоянной температуре (11470С). Превращение происходит во всех сплавах, содержащих 2,14 и < 6,67% С (чугунов).

Линии NH и NJ линии первого (высокотемпературного) полиморфного превращения в сплавах. В отличие от чистого железа полиморфные превращения в сплавах происходят в интервале температур.

Линия ES - линия ограниченной растворимости углерода в аустените. Ниже этой линии А пересыщен углеродом и из него выделяется высокоуглеродистая фаза - Ц (цифра II указывает, что Ц выделился из А).

Линия PSK - линия эвтектоидного превращения (равновесия). Это превращение протекает у всех сплавов, при этом аустенит состава S распадается на смесь двух фаз: феррита состава Р и цементита

Аs→ (Фр+Ц)-П

Распад происходит при постоянной температуре (7270С ) и в образующемся эвтектоиде - перлите (П), всегда содержится 0,8% углерода.

Линии GS и GP - линии второго полиморфного превращения . Ниже линии GP полиморфное превращение заканчивается и структура сплава ферритная (А Ф).

Линия PQ - линия ограниченной растворимости углерода в феррите. Ниже этой линии феррит пересыщен углеродом и из него выделяется И (цифра III указывает, что Ц выделился из феррита).

На всех горизонтальных линиях в равновесии находятся три фазы, система нонвариатна, т.е. С=0.

Перитектическое превращение наблюдается у сплавов, содержащих от 0,1 до 0,5% С, эвтектическое - от 2,14 до 6,67 С и эвтектоидное - у всех сплавов, содержащих > 0,025 С.

Сплавы, содержащие < 0,8 называются доэвтектоидными, > 0,8%С - заэвтектоидными и 0,8%С эвтектоидными сталями. В зависимости от концентрации углерода сплавы, содержащие < 0,3%С называются низкоуглеродистыми, с 0,3 - 0,6%С -среднеуглеродистым, с > 0,7%С - высокоуглеродистыми сталями.

Кристаллизация стали. Все превращения начинаются в жидкости при некотором переохлаждении, т.е. при температурах ниже равновесной, лежащей на соответствующей линии диаграммы.

Перекристаллизация стали (превращения в твердом состоянии). Основа этих превращений - полиморфное превращение ГЦК - ОЦК и изменение растворимости углерода в аустените и феррите при изменении температуры.

Влияние компонентов и примесей на свойства стали

Сталь - многокомпонентный сплав. Избавиться от примесей затруднительно и дорого. Любая сталь состоит из 2-х фаз - Ф и Ц. Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Частицы Ц служат препятствием движению дислокации, а следовательно повышают прочность, твердость и уменьшают пластичность. Повышение содержания углерода повышает температуру порога хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости примерно на 200С). При содержании в стали более 1 - 1,1% С возникает хрупкость в отожженном состоянии.

Кремний и марганец попадают в сталь при раскислении, содержание Si = 0,35 - 0,4 %, Mn = 0,5 - 0,8%. Кремний снижает способность стали к вытяжке, холодной высадке. Поэтому стали, предназначенные для холодной штамповке надо брать с пониженным кремнием.

Сера образует FeS, который в свою очередь образует с железом легкоплавкую эвтектику (Т = 9880С). Располагаясь по границам зерен, она плавится при температурах ковки и штамповки вследствие чего возникает красноломкость. Марганец нейтрализует серу (MnS). Сернистые включения понижают механические свойства. Содержание серы не должно превышать 0,05 - 0,06%.

Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кр. решетку (раствор внедрения), резко снижает пластические и вязкие свойства. Каждый 0,01% фосфора повышают порог хладноломкости на 20 - 250С. Склонен к ликвации.

Азот, водород, кислород. Образуют хрупкие неметаллические включения (оксиды, нитриды) по границам зерен, в результате возрастает хрупкость. Водород охрупчивает сталь.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79661. К ВОПРОСУ О ПОРЯДКЕ И ОСОБЕННОСТЯХ РЕАЛИЗАЦИИ ЖИЛИЩНОЙ ПОЛИТИКИ В РОССИИ 149 KB
  Современное жилье как элемент материальной культуры прошло длинный исторический путь: от естественных укрытий и пещер — первых пристанищ наших предков — до современных домов-небоскребов, оборудованных сложной инженерной техникой. На разных этапах развития общества по-разному решались вопросы обеспечения граждан жильем.
79662. Moscow 21.44 KB
  Moscow is the capital of Russia, its administrative, economic, political and educational centre. It is one of Russias major cities with the population of about 9 million people. Its total area is about 900 thousand square kilometres
79663. London 22.39 KB
  London with its suburbs hs popultion of bout 11 million people. London hs been cpitl for nerly thousnd yers. The most fmous of them re the Tower of London where the crown jewels re kept Westminster bbey nd St.
79664. Krasnodar 16.57 KB
  I ws born in Krsnodr. The history of Krsnodr begn in 1793. The popultion of Krsnodr is more thn 800 000 people.
79665. The United States of America 20.59 KB
  The United Sttes is lnd of rivers nd lkes. The United Sttes re riebii nturl nd minerl resources.
79666. Education in the Russian Federation 21.38 KB
  Every boy or girl must get secondry eduction. Eduction in Russi is compulsory up to the 9th form inclusive. If pupil of secondry school wishes to go on in higher eduction he or she must sty t school for two more yers.
79667. Russia 20.03 KB
  The vst territory of Russi lies in the estern prt of Europe nd the northern prt of si. Russi is wshed by twelve ses nd three ocens. Russi borders on mny countries such s Mongoli nd Chin in the southest Finlnd nd Norwy in the northwest nd so on.
79669. New York 16.14 KB
  New York is divided into 5 prts: The Bronx Brooklyn Mnhttn Queens nd Stten Islnd. In New York mny districts nd lnd mrks is wellknown s well s bridges skyscrpers nd prks. The most fmous plces in New York is Times Squre ldquo;The crossrods of the Worldrdquo; Brodwy theter nd others.