Железоуглеродистые сплавы Диаграмма «железо цементит»

Тема: Железоуглеродистые сплавы Диаграмма «железо цементит»

 

Практическое занятие 2 (6 часов)

 

 

Цель: рассмотреть механизм и алгоритм построения диаграмм «железо-цементит для разных сплавов»

Задание: в соответствии с заданными характеристиками сплавов построить диаграмму «железо-цементит», обозначив на ней все точки.

 

1. Теоретическое введение

 

Железо. Широкое применение сплавов на основе железа (сталь и чугун) определяется следующими характерными особенностями железа: его дешевизной, большим содержанием железа в земной коре (5,1 %), легкостью извлечения железа из его окислов, т.е. его легкой восстанавливаемостью. Особенно важным свойством железа является его аллотропия, т.е. наличие нескольких кристаллических модификаций, что дает возможность упрочнять сплавы на основе железа посредством термообработки с получением мартенсита.

Железо находится в периодической  системе Д.И. Менделеева в 1У периоде, в восьмой группе (порядковый номер 26).

Это переходный металл с электронной  структурой 1S²2S²2р⁶3S²3p⁶3d⁶ 4S². Застройка более высокого 4S уровня при незаполненной 3d оболочке приводит при определенных условиях к возможности обмена 4S и 3d электронов; чем можно объяснить переменную валентность и другие свойства железа.

Температура плавления чистого  железа (99,9917 %) равна 1539 °С, кипения – 3200 °С. Плотность – 7,874 т/м³, атомный вес – 55,85. Твердость железа зависит от чистоты металла. Твердость чистого железа равна 490 МПа, технического (99,8 – 99,9 %) – около 900 МПа. Механические свойства железа: предел прочности при растяжении s _в=300 – 350 МПа, относительное удлинение d =40 %, поперечное сужение Y =70 %, т.е. железо хорошо подвергается пластической деформации. Железо имеет две полиморфные модификации a и g . Кристаллическая решетка Fea – ОЦК (объемноцентрированная кубическая); Feg – ГЦК (гранецентрированная кубическая). Полиморфное превращение сопровождается изменением объема, поскольку переход cвязан с уменьшением компактности решетки. Различие объемов составляет около 1 %. Впервые критические точки железа были определены в 1868 г. Д.К. Черновым по цвету каления, изменению объема, пластичности и другим свойствам. В 1888 г. французский ученый Флорис Осмонд предложил каждую критическую точку обозначить индексом А (от французской “arret” – что означает остановку на термической кривой.

Для различия критических точек  при нагревании и охлаждении к  обозначению критической точки  А добавляется индекс “с” (от французского слова choftage – нагревание) или индекс “r” (от французского refroidissement – охлаждение). В табл. 1 приводятся обозначения критических точек чистого железа и сплавов железо-углерод.

Таблица 1

Критические точки чистого железа и сплавов Fe-Fe₃C

Температура превращения, °С	Обозначение критических точек		Примечание
	при нагреве	при охлаждении
1539	–	–	Плавление, кристаллизация
910	Ас3	Аr3	Fea « Feg
770	A2	A2	Магнитное превращение железа
727	Ас1	Ar1	Эвтектоидное превращение цементита
210	Ао		Магнитное превращение цементита

 

 

Углерод. Вторым основным компонентом железоуглеродистых сплавов является углерод. Углерод неметаллический элемент П периода, 1У группы. Он занимает шестое место в периодической системе Д.И. Менделеева. Распределение электронов в атоме углерода имеют вид: 1S²2S²2P². Обладает относительно малой плотностью 2,3 т/м³, температура плавления около 3500 °С. Углерод полиморфен. В обычных условиях углерод находится в виде графита с гексагональной слоистой решеткой (рис. 15).

Рис.1. Кристаллическая решетка  графита

 

В каждом слое (в плоскости базиса) атомы углерода находятся на небольшом  расстоянии друг от друга и между  ними действуют прочные ковалентные связи. Расстояние между слоями значительно большее и между ними действуют слабые связи (типа сил Ван-дер-Ваальса). Метастабильная модификация углерода – алмаз имеет кубическую решетку. Диаграмма состояния железо-углерод должна, очевидно, охватывать все сплавы от 0 до 100 % углерода. Однако, как правило, приводится небольшой участок системы от железа до ближайшего химического соединения Fe₃C. Это обусловлено тем, что практически применяются сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) с содержанием углерода не более 5 %.

Обычно  на диаграмме фазового равновесия системы  железо-углерод наносят одновременно систему железо-карбид железа (Fe-Fe₃C) – сплошные линии диаграммы – метастабильное равновесие и пунктирные линии – стабильное равновесие Fe-C. В настоящем домашнем задании мы рассматриваем только упрощенную (без перитектического превращения) диаграмму фазового равновесия железо-цементит.  

 

2.1.1. Основные фазы, их строение и свойства

 

В сплавах системы Fe-Fe₃C встречаются следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы на основе различных кристаллических модификаций железа, химическое соединение Fe₃C (цементит). На рис.2 представлена диаграмма состояния железо-цементит в фазовом виде.

Рис.2. Фазовая диаграмма состояния железо-цементит

 

Жидкая фаза представляет собой неограниченный раствор железа и углерода, распространяющийся выше линии ликвидус АСD – от 0 до 6.67 %С.

Твердые растворы. В данной системе имеются твердые растворы железа с углеродом на основе двух кристаллических модификаций железа. Они являются твердыми растворами внедрения, т.е. атомы железа занимают узлы пространственной решетки, а атомы углерода размещаются в междоузлиях.

Твердый раствор углерода в a -железе называется ферритом. В феррите сохраняется кристаллическая решетка a -железа – объемно-центрированный куб. Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу QPG. Максимальная растворимость углерода в нем не более 0,025 %, при комнатной температуре она равна 0,006 %. Твердость феррита около 800–1000 МПа, предел прочности s _в~ 250 МПа; s _т~ 120 МПа, относительное удлинение (d ) до 50 %, а поперечное сужение Y -до 80 %. До температуры 770 ° С феррит ферромагнитен, выше – парамагнитен. Значительно большую область на диаграмме железо-углерод занимает твердый раствор углерода в g -железе с гранецентрированной кубической решеткой, который называется аустенитом.

В аустените предел растворимости  достигает 2,14 %. Твердость его равна 1700 – 2000 МПа, s _в – 50 – 80 МПа. Аустенит обладает и малой склонностью к хрупкому разрушению. Как в феррите, так и в аустените осуществляется металлический тип связи.

Цементит. При обычном охлаждении в металлической изложнице, т.е. при значительных переохлаждениях (D Т) процесс затвердевания протекает по метастабильной диаграмме. Углерод в этом случае находится в связанном состоянии в виде карбида железа Fe₃C, называемого цементитом. Цементит содержит 6,67 %С, обладает сложной орторомбической решеткой. В решетке цементита реализуются связи как ковалентные так и металлического типа. Это подтверждается высокой твердостью (~ 10000 МПа) и хрупкостью, характерными для промежуточных фаз. Температура плавления цементита точно не установлена и принимается равной ~ 1600 °С.

 

2.1.1. Линии, точки, концентрации, температуры

Все линии диаграммы можно разделить  на следующие группы: линии ликвидус – начало затвердения при охлаждении или конец плавления при нагревании; линии солидус – конец затвердевания при охлаждении и начало плавления при нагревании; линии превращения в твердом состоянии. Из них особо выделяются горизонтальные линии (параллельные оси составов), отвечающих нонвариантному равновесию.

В табл.2 приведены основные характеристики линий диаграммы.

Таблица 2

Характеристики линий диаграммы

Индекс  линий	Температурный  интервал, °С	Интервал концентраций (% углерода)	Основная характеристика линии
Линия ликвидуса
АС СD	1539° – 1147° 1147° ~ 1600°	0 – 4,3 4,3 – 6,67	Линия ликвидус (начало затвердевания аустенита). Линия ликвидус (начало затвердевания  первичного цементита)
Линия солидуса
АЕ	1539° – 1147°	0 – 2,14	Конец затвердевания аустенита
ЕСF	1147°	2,14 – 6,67	Линия эвтектического равновесия

Линии превращения в  твердом состоянии
SE	727° – 1147°	0,8 – 2,14	Линия ограниченной растворимости  углерода в аустените. Начало выделения  вторичного цементита.
GS	911° – 727°	0 – 0,8	Начало аллотропического превращения  аустенита в феррит
GP	911° – 727°	0 – 0,025	Конец аллотропического превращения (аустенита в феррит)
PSK	727°	0 ,025 – 6,67	Линия эвтектоидного равновесия аустенита, феррита, цементита
PQ	727° – комн.	0,025 – 0,006	Линия выделения третичного цементита

 

 

Концентрация углерода в характерных  точках диаграммы приводится в табл.3.

 

Таблица 3

Характеристики точек диаграммы

Индекс точки	Содержание углерода, %	Температура, °С	Характеристика
А	0	1539	Точка затвердевания жидкого железа
С	4,3	1147	Состав жидкой фазы при эвтектическом  равновесии с аустенитом и цементитом
Е	2,14	1147	Предельное содержание углерода в  аустените. Состав аустенита при  эвтектическом равновесии с жидкой фазой и цементитом
S	0,8	727	Состав аустенита при эвтектоидном равновесии с ферритом и цементитом
Р	0,025	727	Предельное содержание углерода в  феррите. Состав феррита при эвтектоидном равновесии с аустенитом и цементитом
Q	0,006	Комнатная	Предельное содержание углерода в  феррите при комнатной температуре

 

 

2.2. Горизонтальные линии диаграммы

 

В системе железо-цементит имеет  место безвариантное трехфазное равновесие: при эвтектическом метастабильном (1147 °С) равновесии, при метастабильном (727 °С) эвтектоидном равновесии.

В табл.4 приведены линии трехфазного равновесия.

Таблица 4

Линии трехфазного равновесия

Индекс линии	Температура  равновесия, °С	Фазы, находящиеся в равновесии	Название превращения	Взаимодействие фаз
ECF	1147	Ж+А+Ц	эвтектическое	Жс«АEe+Ц  (ледебурит)
РSK	727	А+Ф+Ц	эвтектоидное	Aс« Фp+Ц  (перлит)

 

 

2.3. Кристаллизация и формирование структуры сплавов

 

Сталями называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %. Сплавы с большим содержанием углерода (2,14 до 6,67 %) называются чугунами. Границей между сталями и чугунами принято считать проекцию точки Е, т.е. точки максимального насыщения аустенита углеродом, от которой начинается линия эвтектического равновесия. В результате первичной кристаллизации стали образуется аустенит (линия АЕ).

В отличии  от сталей структура чугуна характеризуется  наличием эвтектики, которая состоит  из аустенита и цементита.

Первичная кристаллизация стали. На рис. 17 показан верхний участок упрощенной диаграммы Fe-Fe₃C.

Рис. 3. Верхний левый участок упрощенной диаграммы состояния железо-цементит.

а) Первичная кристаллизация сплавов  до 2,14 %С (сталей); б) кривая охлаждения сплава 1

 

В сталях из жидкой фазы кристаллизуется аустенит. Состав жидкой фазы меняется по проекции линии АС на ось концентраций, твердой  фазы по проекции линии АЕ.

Превращения в твердом состоянии. Окончательное формирование структуры стали происходит в результате превращений аустенита при дальнейшем охлаждении. Основой этого превращения является полиморфизм, связанный с перегруппировкой атомов из ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку феррита, а также изменение растворимости углерода по линии ES в аустените и PQ в феррите. В сплавах с содержанием от 0,025 до 2,14 %С вторичные превращения начинаются при температурах, соответствующих линиям GS и SE и заканчиваются при температуре ниже 727 °С и линии PSK, в результате эвтектоидной реакции.