Profilpipe.ru

Профиль Пипл
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Начерченная диаграмма состояния железо цемент

Диаграмма состояния железо — цементит

Диаграмму состояния железо — углерод чаще всего представляют в интервале концентраций от железа до цементита. При этом ось абсцисс (концентрационная) на диаграмме, как правило, даётся двойной, показывая содержание углерода и цементита.

Об открытии критических точек в стали Д.К Черновым в 1868 году и начале изучения диаграммы железо — углерод см. страницу Диаграмма железо — углерод.

Диаграмма железо-углерод, как явствует из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо с углеродом образует ряд химических соединений: цементит Fe3C; Fe2C; FeC и др. и, следовательно, система железо-углерод должна быть отнесена к сложной форме диаграммы с химическими соединениями.

Рассматривая диаграмму железо-углерод в участке от железа до цементита можно компонентами системы считать железо и цементит.

На рисунке приведена полная диаграмма состояния системы (стабильная система Fe-Cгр и метастабильная система Fe-FeC).

Метастабильная система железо — цементит (Fe — Fe3C)

Перитектическое превращение δ+Ж↔γ протекает при 1494±2°C. Предельная концентрация углерода в δ-фазе (точка H) отвечает 0,1% (по массе), или 0,46% (ат.). Для точки J приняты значения 0,16% (по массе), или 0,74% (ат.); для точки B — значения 0,51% (по массе), или 2,33% (ат.). По данным термического анализа, линия ликвидус δ-фазы AB — почти прямая, точке B соответствует 2,47% (ат.), предельная растворимость углерода в δ-Fe составляет 0,5% (ат.). Температура перитектической горизонтали равна 1496±2°C, точке J отвечает 0,18% (по массе), или 0,81% (ат.).

Кривая ликвидус аустенита BC установлена данными Руэра, Хондо, Эдкока, Умино и др. Почти прямолинейный вид линии солидус γ-фазы (JE) также подтверждён в работах. Предельная растворимость углерода в γ-фазе при 1147°C составляет 2,14% (по массе), или 9,2% (ат.); при 1150°C 2,02% (по массе), или 8,7% (ат.).

Обычно из расплавов, содержащих более 0,51% (по массе) C, выделяется γ-фаза. Однако при переохлаждении расплавов, содержащих 0,5-1,5% (по массе) C, наблюдалась кристаллизация δ-фазы по метастабильному ликвидусу BB’ и солидусу HH’ с последующей перекристаллизацией пересыщенной углеродом δ-фазы в равновесную γ-фазу по реакции жδпересыщ→жγ+γ, что указывает на существование в расплавах, содержащих 0,5-1,5% (по массе) C, смешанного ближнего порядка жδ+δ→жγ+γ.

Кривая ликвидус цементита CD экспериментально не фиксируется. Первичный цементит выделяется только при закалке расплавов, содержащих до 5,5% (по массе) C, а при нагреве белых заэвтектических чугунов цементит разлагается до плавления (Fe3C→Fe+Cгр). По расчётным данным, виртуальная температура плавления цементита оценивается равной 1200-1450°C. Возможно, цементит испытывает инконгруэнтное разложение при 1250-1300°C.

В высокоуглеродистых сплавах, содержащих более 6,7% (по массе) C после закалки из жидкого состояния в медную изложницу и ледяную воду наблюдали только Fe3C; других карбидов не обнаружено. Таким образом, метастабильная система при нормальном давлении ограничена цементитом. При повышении давления стабилизируются высшие карбиды Fe7C3, Fe2C и Cалм, однако при давлении 0,1 МПа выделение карбидов FexC (Fe2C) наблюдали лишь при низкотемпературном отпуске закалённой стали.

Температура эвтектической горизонтали ECF принята равной 1147°C, эвтектике (точке С) соответствует 4,30% (по массе), или 17,28% (ат.) C.

Превращение γ↔α (A3, кривая GS), исследованное многими авторами, также подтверждено последующими работами.

Эвтектоидная точка находится при 723°C и 0,76% (по массе), или 3,44% (ат.) C, а по другим данным, при 727,2±0,5°C и 0,765% (по массе), или 3,46% (ат.). Таким образом, температуры и концентрации для всех характерных точек метастабильной системы Fe-Fe3C подтверждены последующими работами.

Читать еще:  Средство для удаления цемента с брусчатки

Растворимость цементита в α-Fe (кривая PQ) очень мала и составляет 0,02% (по массе), или 0,095% (ат.) C. Согласно другим данным, растворимость цементита в α-Fe при 723°C равна 0,025% (по массе).

Метастабильная система Железо — Цементит проявляется только при содержании углерода до 6,67% (по массе) С (Fe3C). При высоких давлениях цементит Fe3C стабилизируется и появляется карбид Fe7C3, находящийся в равновесии с алмазом. Метастабильная система Железо — Цементит представляет фрагмент полной диаграммы Железо — Алмаз, проявляющейся полностью только при высоких давлениях, когда стабильными становятся карбиды Fe3C, Fe7C3 и алмаз. Цементит имеет узкую область гомогенности, изображаемую обычно вертикально.

Автор обзора: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Лит.:

  1. Гуляев А.П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1977. — УДК669.0(075.8)
  2. Банных О. А., Будберг П. Б., Алисова С. П. и др. — Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справ. изд. — М.: Металлургия, 1986. 440 с. — УДК 669.15.017.12(083)

Конкурс «Я и моя профессия: металловед, технолог литейного производства». Узнать, участвовать >>> —>

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Диагра́мма фа́зового равнове́сия (диаграмма состоя́ния) желе́зо—углеро́д (иногда эту диаграмму называют «диаграмма железо—цементит») — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Содержание

  • 1 Диаграмма состояния
  • 2 Фазы диаграммы железо-углерод
  • 3 Фазовые переходы
  • 4 Примечания
  • 5 Литература

Диаграмма состояния [ править | править код ]

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы на основе железа с содержанием углерода до 5 %, практически интересна часть диаграммы состояния от чистого железа до цементита [1] . Поскольку цементит — метастабильная фаза, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке).

Для серых чугунов и графитизированных сталей рассматривают стабильную часть диаграммы железо—графит (Fe—Гр), поскольку именно графит является в этом случае стабильной фазой. Цементит выделяется из расплава намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго, несмотря на метастабильность. В серых чугунах графит существует обязательно.

На рисунке тонкими пунктирными линиями показаны линии стабильного равновесия (то есть с участием графита), там где они отличаются от линий метастабильного равновесия (с участием цементита), а соответствующие точки обозначены штрихом. Обозначения фаз и точек на этой диаграмме приведены согласно неофициальному международному соглашению.

Фазы диаграммы железо-углерод [ править | править код ]

В системе железо — углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях [ источник не указан 1528 дней ] с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит имеет переменную, зависящую от температуры предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 700 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки [2] .

При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка H).

Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твёрдость по Бринеллю — 130 НВ) и пластичен, ферромагнитен (при отсутствии углерода) до точки Кюри — 770 °C.

Аустенит (γ) — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой.

Читать еще:  Корень зуба покрыт цементом

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е). Аустенит имеет твёрдость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен. При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования [3] .

Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит — метастабильная фаза и при длительном нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.

В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:

  • цементит первичный (выделяется из жидкости),
  • цементит вторичный (выделяется из аустенита),
  • цементит третичный (из феррита),
  • цементит эвтектический и
  • эвтектоидный цементит.

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен [4] .

Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита. Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфер. Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твёрдости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п. [5]

Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Плотность графита (2,3 г/см 3 ) намного меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5—7,8 г/см 3 ) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.

Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфер (высокопрочный чугун).

Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности — высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и в некоторых марках стали — в так называемых графитизированных сталях.

Фазовые переходы [ править | править код ]

Линия ACD — это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии ACD — жидкий сплав. Линия AECF — это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).

По линии ликвидуса АС (при температурах, отвечающих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD — цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса AE, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита. На линии солидуса EC (1147° С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделялся аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания будут иметь структуру аустенит + ледебурит.

На линии солидуса CF (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделялся цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания будут иметь структуру — первичный цементит + ледебурит [6] .

Читать еще:  Когда можно наносить второй слой цемента

В области ACEA, между линией ликвидуса AC и солидуса AEC, будет жидкий сплав + кристаллы аустенита. В области CDF, между линией ликвидуса CD и солидуса CF, будет жидкий сплав + кристаллы цементита (первичного). Превращения, протекающие при затвердевании сплавов, называют первичной кристаллизацией. В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14 % образуется однофазная структура — аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми [4] .

В железоуглеродистых сплавах превращения происходят также и в твердом состоянии, называемые вторичной кристаллизацией и характеризуемые линиями GSE, PSK, PQ. Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP будет структура аустенит + феррит.

Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147 °С в аустените может раствориться углерода 2,14 %, а при 727°С — 0,8 %. С понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727°С) сталь имеет структуру: аустенит + цементит (вторичный). В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147 °С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже будет выделяться вторичный цементит. Следовательно, ниже линии EC (до температуры 727 °С) белый чугун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вторичный.

Линия PSK (727° С) — это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом. Ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры.

  • Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, имеют структуру феррит + перлит и называются доэвтектоидными сталями.
  • Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью.
  • Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % имеют структуру цементит + перлит и называются заэвтектоидными сталями.
  • Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % имеют структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими чугунами.
  • Белый чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим чугуном.
  • Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % имеют структуру цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чугунами [5] .

Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при комнатной температуре. При охлаждении ниже температуры 727° С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом третичный цементит в структуре можно не учитывать из-за весьма малых его количеств. Однако в низкоуглеродистых сталях в условиях медленного охлаждения третичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 76). Эти выделения уменьшают пластические свойства стали, особенно способность к холодной штамповке [5] .

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector