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

75914. Помешало ли строительство империи в России (XVIII-XIX вв.) созданию российской (русской) нации? Точки зрения Хоскинга и Миллера. Понятие нации и русского национализма в России до 1917 года 20 KB
  Усилия уходившие на сбор налогов и создание армии для нужд империи требовали подчинения практически всего населения особенно русских интересам государства и таким образом затрудняли создание общественных ассоциаций представляющих основу для национального самосознания в гражданском смысле. В России условия для национального самосознания были созданы в XVI веке изобретением традиции это дало толчок и послужило оправданием первых шагов по строительству империи но в середине XVII века само имперское государство внезапно отказалось от...
75915. Политика «коренизации» и межнациональные отношения в период создания СССР. Нациостроительство и проведение границ союзных республик 18.67 KB
  В резолюции XII съезда чётко записано: органы национальных республик и областей строились по преимуществу из людей местных знающих язык быт нравы и обычаи соответствующих народов; были изданы специальные законы обеспечивающие употребление родного языка во всех государственных органах и во всех учреждениях обеспечивающих местное национальное население и национальные меньшинства законы преследующие и карающие со всей революционной суровостью всех нарушителей национальных прав и в особенности прав национальных меньшинств. был...
75916. Трансформация представлений о морали в России 16-19 вв: общее и особенное 29 KB
  История развития морали в России начинается уже в устных и письменных произведениях Древней Руси. С принятием христианства Россия обогатилась учениями морали пришедшими к ней из Византии и объединившими в себе лучшие традиции греческой философской школы. Теория морали которую основали древнегреческие мыслители была дополнена русскими учеными разработавшими собственные оригинальные этические концепции и нравственные идеи.
75917. Советский быт и официальная культура (анализ одного-двух примеров – искусство, кинематограф, музыкальная культура) 19.76 KB
  Рассматривая противоречивые взаимосвязи и взаимодействия советской культуры с точки зрения таких категорий диалектики можно отметить следующее: общее в культуре СССР характеризуется тем что советская культура закономерный этап развития отечественной культуры тех ее элементов традиций которые были заложены или привнесены в нее предшествовавшими историко-культурными периодами; особенное в культуре советского периода заключается в том что она не только выступает в качестве наследницы русской культуры но и является главным реформатором...
75918. Совесткий underground: диссидентствующая культура 44 KB
  Идейную и организационную оппозицию власти в условиях “развитого социализма” представляли разномастные диссидентские движения. Основные из них обнаруживали идейное родство с известными с середины XIX в. славянофилами, западниками и социалистами. С учетом реалий второй половины
75920. Причины негативного восприятия России на западе в прошлом и настоящем 19.32 KB
  Западные политики до сих пор опасаются возрождения СССР в его прошлых границах и уповают на наличие у России как правоприемницы СССР амбиций вернуть утраченные территории. Что имеется ввиду Реалии нашей действительности позволяют западному человеку находить в них то что соответствует его суждениям о России сколь бы превратными и односторонними с чьейлибо точки зрения они ни были. В этом смысле сложившийся на Западе образ России во многих случаях больше говорит об особенностях западного менталитета чем о самой нашей стране.
75921. Кризисная дипломатия Хрущева и «доктрина Брежнева»: преемственность и изменения во внешней политике СССР в 1950-1980-е годах 18.26 KB
  Внешняя политика СССР в начальный период хрущевской оттепели велась в условиях напряженной международной обстановки и жесткой конфронтации со странами Запада. В середине 50х годов создали свой военно-политический союз СССР и страны социалистического лагеря. Хрущевым видело одно из средств ослабления международной напряженности в расширении взаимоотношений СССР и стран мира.
75922. Публичная дипломатия современной России: пути и формы реализации 27.93 KB
  Несмотря на общее признание необходимости усилить роль публичной дипломатии взгляды на цель этого усиления среди политиков и экспертов разнятся. Наряду с пониманием общественной дипломатии как public diplomcy появилось и второе значение термина в русском языке дипломатия на уровне общественных организаций. Поэтому более удобным представляется перевод публичная дипломатия не имеющий значения дипломатии на уровне НПО.