Рисунок 2.1 – диаграмма состояния железо-цементит
Температуры, при которых изменяется строение металлов и сплавов, называют критическими точками. При плавлении и затвердевании чистые металлы имеют одну критическую точку, а сплавы – две. В интервале между этими точками в сплавах существуют две фазы – жидкий сплав и кристаллы.

Некоторые критические точки имеют названия, например, точки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус.

При сплавлении железа с углеродом (С) образуется карбид железа Fe3C, называемый цементитом, он содержит 6,67 % С.

Промышленные сплавы железа с углеродом содержат до ≈ 4 % С, поэтому их структуру изучают с помощью диаграммы состояния «Железо – цементит» (Fe–Ц),т.е. компонентами данной системы являются Fe и Fe₃C.

Значение диаграммы «железо – цементит» состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить режимы термической обработки для изменения свойств сталей.

На диаграммах состояния верхняя система линий (в данном случае ABCD) называется линией ликвидус (лат. – жидкий), выше неё любой сплав находится в жидком состоянии. На рис. 18Ж – жидкая фаза (расплав) – жидкий раствор С в Fe. Система линий диаграммы непосредственно под ликвидусом (в данном случае AHJECF) называется линией солидус (лат. – твёрдый), ниже неё любой сплав – в твёрдом состоянии.

В системе Fe-Fe₃Cсуществуют три твёрдые (кристаллические) фазы: цементит – химическое соединение (на диаграмме его однофазная «область» – линия – DFKL) и твёрдые растворы С в Fe – аустенит (область GNJES) и феррит (0GPQ). Наличие двух твёрдых растворов является следствием полиморфизма железа – его способности существовать в двух модификациях (α и γ) при различных температурах. В интервале температур 0…911 ºС, а также 1392…1539 ºС – это α–Fe (или Fe_α) с ОЦК решёткой, в интервале 911…1392 ºС железо имеет ГЦК решётку – это γ– Fe (или Fe_γ).

Соответственно, при сплавлении железа с углеродом образуются два твёрдых раствора внедрения С в Fe: феррит (Ф) – раствор С в α–Fe и аустенит (А) – раствор С в γ – Fe.

Феррит – твёрдый раствор на основеα – Fe, содержащий < 0,02 % С, очень мягкая (твёрдость НВ ≤ 800) и пластичная (относительное удлинение δ ≥ 30 %) фаза.

Цементит – карбид железа, напротив, очень твёрд (НВ ≈ 8000) и хрупок (δ ≈ 0 %). Такие характеристики Ф и Ц обусловливают существенную зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания С.

---

Ледебурит – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представляющая собой эвтектическую смесь аустенита и цементита, образующаяся в точке С (1130°) диаграммы состояния железо – углерод. При охлаждении ниже точки А (723° для чистых железоуглеродистых сплавов) аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит; следовательно, при нормальной температуре ледебурит состоит из перлита и цементита.

Перлит – одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов: представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз – феррита и цементита (в легированных сталях – карбидов).

Аустенит – высокотемпературная гранецентрированная модификация железа и его сплавов. В углеродистых сталях аустенит – это твёрдый раствор внедрения, в котором атомы углерода входят внутрь элементарной ячейки γ-железа во время конечной термообработки.

Чтобы установить структуру сплава, нужно проследить, какие превращения происходят в нём при медленном охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры.

Рассмотрим этот процесс на примере сталей – сплавов с содержанием углерода от 0,02 до 2,14 % С.

Из диаграммы Fe – Ц следует, что все стали в результате затвердевания (т.е. непосредственно ниже линии солидус NJBE) приобретают однофазную аустенитную структуру (А).

Видно также, что при дальнейшем охлаждении они пересекают ряд линий диаграммы, значит, в них происходят превращения в твёрдом состоянии. Эти превращения вызваны явлением полиморфизма железоуглеродистых сплавов (а также уменьшением растворимости С в А (линия ЕS) и Ф (линия PQ) с понижением температуры). Как следует из диаграммы Fe–Ц, эти превращения в сталях заканчиваются на линии PSK (727 ºС), т.к. ниже этой температуры какие-либо критические линии отсутствуют.

На примере стали, содержащей 0,8 % С (т. S), видно, что превращение, происходящее при Т ≤ 727 ºС, заключается в распаде аустенита на смесь феррита и цементита. Такое превращение, когда при постоянной температуре из одной твёрдой фазы образуются две другие (при фиксированных составах фаз), называется эвтектоидным.

В железоуглеродистых сплавах эвтектоидное превращение называется перлитным, поскольку в результате него образуется перлит – чередующаяся смесь тонких кристаллов (пластинок) феррита и цементита – структура, напоминающая перламутровый (жемчужный) узор раковин.

---

В зависимости от содержания С углеродистые стали делятся на доэвтектоидные (0,02…0,8 % С), эвтектоидные (≈ 0,8 % С), заэвтектоидные (0,8…2,14 % С).

Из приведённого выше обсуждения очевидно, что равновесная структура эвтектоидной стали – перлит.



а) б) в) г)

Рисунок 2.2 - Структура технического железа (а), доэвтектоидной (б), эвтектоидной (в), заэвтектоидной (г) сталей
В доэвтектоидных сталях помимо перлита (П) в структуре содержатся кристаллы избыточного феррита, образовавшиеся из аустенита при охлаждении между линиями GS и PS.

В заэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествует выделение вторичного цементита (ЦΙΙ) из аустенита, поскольку предельное содержание С в А уменьшается с понижением температуры (по линии ES). Поэтому структура заэвтектоидных сталей состоит из зёрен перлита, разделённых сеткой кристаллов Ц_II. Таким образом, основной структурной составляющей углеродистых сталей в равновесном состоянии является перлит. Эвтектоидная сталь содержит одну структурную составляющую (П), все остальные стали – по две: доэвтектоидные – П + Ф, заэвтектоидные – П+ Ц_II.

В сплавах, содержащих < 0,02 % С, перлит в структуре отсутствует, т.к. в процессе охлаждения они не пересекают линию перлитного превращения (PSK). Эти сплавы называются техническим железом в отличие от химически чистого Fe, представленного на диаграмме Fе – Ц вертикалью ANG0. Структура технического Fе – феррит (хотя в сплавах, содержащих 0,01…0,02 % С присутствует небольшое количество третичного цементита – Ц_III).

Заметим, что, несмотря на разнообразие структур (обусловленное тем, что сплавы с разным содержанием углерода пересекают при охлаждении различные линии диаграммы Fe – Ц), фазовый состав сплавов, содержащих >0,01 % С, одинаков – Ф + Ц.

Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому её также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа. В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

По диаграмме состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, приблизительно, свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.

---

Критическими точками называются точки перегиба на кривых охлаждения. Комплекс линий, объединяющих критические точки сплавов, в зависимости от химического состава сплава и его температуры представляет собой диаграмму состояния.

Как следует из диаграммы, превращения в этих сплавах происходят не только при затвердевании жидкого сплава, но и в твердом состоянии. Процессы, протекающие при первичной и вторичной кристаллизации железоуглеродистых сплавов, подробно описаны в рекомендуемой литературе.

При изучении первичной кристаллизации железоуглеродистых сплавов следует обратить внимание на то, что у разных сплавов она заканчивается по-разному. В соответствии с этим образуются две группы сплавов.

Сплавы, содержащие до 2,14% углерода, после затвердевания имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т. е. являются ковкими сплавами. Такие сплавы называют сталью.

По сравнению со сталью сплавы, содержащие более 2,14% углерода, отличаются хрупкостью, но лучшими литейными свойствами, в частности более низкими температурами плавления и меньшей усадкой, что обусловлено наличием хрупкой, но легкоплавкой структурной составляющей — ледебурита. Эти сплавы называются чугуном.

При изучении процессов вторичной кристаллизации следует четко уяснить, что фазовые и структурные превращения с понижением температуры вызваны или полиморфными превращениями в железе, или изменением растворимости углерода в аустените и феррите.

Линия GS — верхняя граница области сосуществования феррита и аустенита; при охлаждении эта линия соответствует температурам начала превращения гамма-железа в альфа-железо с образованием феррита. Это превращение протекает в интервале температур и сопровождается перераспределением углерода между ферритом и аустенитом. Температуры, соответствующие линии GS в условиях равновесия, принято обозначать Аз.

По линии ES при охлаждении из аустенита начинает выделяться вторичный цементит в связи с уменьшением растворимости углерода в гамма-железе при понижении температуры. Каждая точка линии ES показывает содержание углерода в аустените при данной температуре. Критические точки, образующие линию ES, принято обозначать А_ст.

По линии PSK происходит распад аустенита с образованием эвтектоида - перлита во всех сплавах системы. Эвтектоидное превращение аустенита протекает при постоянной температуре. Критические точки, образующие линию PSK, принято обозначать А

---

₁.

Необходимо обратить внимание на то, что температура, при которой из аустенита начинает выделяться феррит или цементит (линии GS и ES), зависит от состава сплава, а превращение аустенита в перлит происходит во всех сплавах при одной и той же температуре.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов распределяются в объеме по-разному, в зависимости от содержания углерода.

В малоуглеродистых сталях, например, преобладает феррит, но чем больше в стали углерода, тем меньше в структуре избыточного феррита и больше перлита.

При содержании углерода более 0,8% свободный феррит отсутствует, но появляются включения цементита в виде сетки по границам зерен или игл.

В чугунах появляется эвтектика-ледебурит. Чем больше в чугуне углерода, тем меньше перлита и больше ледебурита.

---

Смотрите также файлы

• Дорожная карта руководителя. Дорожная карта руководителя Школы Минпросвещения России (горизонт планирования 3 года).docx

• Законодательная база и международные стандарты в области зск.docx

• Предупреждение аварий на нефтепромыслах и нефтепроводах.docx

• согласовано утверждаю.pdf

• Социальное государство Презентацию подготовила студентка 1го курса, группы гму221.pptx