Что понимается под критическими точками характерными для железоуглеродистых сплавов

Учебные материалы

Фазовые превращения в сплавах железа начинаются и заканчиваются при строго определенных температурах. Термическая, химико — термическая обработка деталей машин, сплавов, инструментов, металлоконструкций связана c этими температурами.

Температуры, при которых происходят фазовые превращения в сплавах, называются критическими.

Критические точки обозначают буквой А (от французского arreter- остановка). При очень медленных скоростях нагрева и охлаждения линии диаграммы соответствуют критическим точкам: PSK-A₁,GS-A₃, SE-A_m (рисунок 30).

Рисунок 30 — Критические точки на диаграмме «Fe — С»

В реальных условиях термической обработки значения критических точек смещаются при нагреве в сторону более высоких температур (к обозначению добавляется буква ”с” — сhoffage- нагрев), при охлаждении — в сторону более низких температур (к обозначению добавляется буква ”r” — refroidiss — охлаждение). Это связано с отставанием фазовых превращений (основанных на диффузионных процессах) от изменения температуры.

Рисунок 31 — Микроструктура железоуглеродистых сплавов в отожженном состоянии

Уважаемые студенты!
Специалисты нашего сайта готовы оказать помощь в учёбе по разным предметам:
✔ Решение задач
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

Источник

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Современную промышленность сложно представить без использования различного вида металлических сплавов, в том числе и стальных. Разработкой их составов занимаются ученые – металлурги в разных странах, но для прогнозирования свойств будущих сплавов, большая часть специалистов руководствуется диаграммой железо – углерод. Она дает четкое представление о том, как устроено большинство стальных сплавов и чугунов.

Диаграмма содержит в себе некоторое количество линий и критичных точек, обозначающих состояние расплава при определенном нагреве.

Классификация железоуглеродистых сплавов

Различные комбинации этих элементов приводят к получению большого количества сплавов, которые можно разделить на три большие группы:

К техническому железу относят материалы, в которых содержится менее 0,02% углерода. К сталям относят, материалы, в которых углерод находится в пределах от 0,02 до 2,14%. И в группу чугунов входят материалы, количество углерода в которых превышает 2,14%.

Компоненты в системе железо углерод

Аустенит

Атомы размещается в гранецентрированной ячейке. Твердость аустенита имеет твердость 200 … 250 единиц по Бринеллю. Кроме того у него хорошая пластичность и он отличается парамагнитностью.

Железо

Железо – это материал, относящийся к металлам. Его натуральный цвет – серебристо-серый. В чистом виде он очень пластичен. Его удельный вес составляет 7,86 г/куб. см. Температура плавления составляет 1539 °C. На практике чаще всего применяют техническое железо, в составе которого присутствуют следующие примеси – марганец, кремний и многие другие. Массовая доля примесей не превышает 0,1%.

У железа есть такое свойство как полиформизм. То есть, при одном и том же химическом составе, это вещество может иметь разную структуру кристаллической решетки и соответственно разные свойства. Модификации железа называют соответственно – Б, Г, Д. Все эти модификации существуют при разных условиях. Например, тип Б, может существовать только при температуре 911 °С. Тип Г может существовать в диапазоне от 911 до 1392 °С. Тип Д существует в диапазоне от 1392 до 1539 °С.

Каждый из типов обладает своей формой кристаллической решеткой, например, у типа Б решетка представляет собой куб, решетка типа Г имеет гранецентрированную кубическую форму. Решетка типа Д, имеет форму объемно центрированного куба.

Еще одно свойство состоит в том, что при температуре ниже 768 железо ферримагнитно, а при ее повышении это свойство теряется.

Точки полиморфной и магнитной трансформации называют критическими. На таблице они обозначены следующим образом – А2, А3, А4. Цифровые индексы показывают тип трансформации. Для более полного различия превращения железа из одного вида в другой к обозначению добавляют индексы с и r. Первый говорит о нагреве, второй об охлаждении.

Полиморфные модификации железа

При высоких параметрах пластичности, железо не обладает высокой твердостью, по шкале Бринелля она равна 80 единиц.

Железо имеет возможность образовывать твердые растворы. Их можно разделить на две группы – раствор замещения и внедрения. Первые состоят их железа и других металлов, вторые из железа и углерода, водорода и азота.

Углерод

Другой компонент системы – углерод. Это – неметалл и он обладает тремя модификациями в виде алмаза, графита и угля. Он плавится при 3500 °С.

Аллотропные модификации углерода

В сплаве железа, этот элемент находится в виде твердого раствора, его называют цементит или в виде графита. В таком виде он присутствует в сером чугуне. Графит, не отличается ни пластичностью, ни прочностью.

Цементит

Доля углерода составляет 6,67%. Он обладает высокой твердостью – 800 НВ, но при этом у него отсутствует пластичность. Полиморфными свойствами не обладает.

Он обладает следующим свойством – при формировании раствора замещения, углерод может быть заменен на атомы других веществ, например, на хром или никель. Такой раствор получил название легированного раствора.

Он не обладает устойчивостью, при наличии некоторых условий он может разлагаться, при этом происходит трансформация углерода в графит. Это свойство нашло применение при образовании чугунов.

Кстати, в жидком состоянии, железо может растворять в себе примеси, при этом образуя, однородная масса.

Феррит

Так называют твердый раствор, при котором происходит внедрение углерода в железо.

Он растворяется с определенной переменностью, при нормальной (комнатной) температуре объем углерода лежит в пределах 0,006%, при 727 °С, то концентрация углерода составит 0,02%. По достижении 1392 °С образуется феррит.

Содержание углерода составит 0,1%. Его атомы размещаются в дефектных узлах решетки.

Феррит по своим параметрам близок к железу.

Аустенит в сталях

Наличие аустенита в стальных сплавах придает им определенные свойства. Детали и узлы, произведенные из подобных сталей, предназначаются для работы в средах, содержащие агрессивные компоненты, например, на предприятиях, перерабатывающих разные кислоты.

Стали этого класса отличаются высоким уровнем легирования, во время кристаллизации формируется гранецентрированная решетка. Такая структура не подвержена изменению даже под воздействием глубокого холода.

Стали этого типа можно разделить на два типа отличающиеся друг от друга составом. В первых, содержатся такие вещества как железо, никель, хром. При этом общее количество добавок не может превышать 55%. Ко второй группе относят никелевые и железоникелевые композиции. В никелевых композициях, его содержание превышает 55%. В железоникелевых составах соотношение никеля и железа составляет 1:5, а количество никеля начинается от 65%.

Такое количество никеля обеспечивает повышенную пластичность, а хром, в свою очередь обеспечивает высокую коррозионную стойкость и жаропрочность. Применение других легирующих материалов позволяет выплавлять сплавы с уникальными эксплуатационными свойствами. Металлурги, составляя рецептуру сплавов, руководствуются будущим назначением сталей.

Для получения легированный сталей применяют ферритизаторы, которые придают постоянство аустенитам, к таким веществам относят ниобий, кремний и некоторые другие. Кроме них применяют углерод, марганец – их называют аустенизаторами.

Цементит: формы существования

Так называют соединение углерода и железа. Это компонент чугуна и некоторых сталей. В него входит 6,67% углерода.

В его кристалл входит несколько октаэдров, они расположены друг по отношению к другу с некоторым углом. Внутри каждого из них расположен атом углерода. В результате такого построения получается следующая картина – один атом вступает в связь с несколькими атомами железа, а железо в свою очередь связано с тремя атомами этого элемента.

Кристаллическая решетка цементита

У этого вещества имеются все свойства, которые присущи металлам – электропроводность, своеобразным блеском, высокая теплопроводность. То есть, смесь железа и углерода, ведет себя как металл. Этот материал обладает определенной хрупкостью. Большая часть его свойств определена сложным строением кристаллической решетки.

Этот материал плавится при 1600 градусах Цельсия. Но на этот счет существует несколько мнений, одни исследователи считают, что его температура плавления лежит в диапазоне от 1200 до 1450, другие определяют, что верхний уровень равен 1300 °С.

Первичный цементит

Металлурги разделяют три типа этого вещества – первичный, вторичный, третичный.

Первичный, получается из жидкости при закалке сплавов, которые содержат в себе 5,5% углерода. Первичный имеет форму в виде крупных пластин.

Вторичный

Этот элемент получается из аустенита при охлаждении последнего. На диаграмме этот процесс этот процесс можно видеть по диаграмме Fe – C. Цементит представлен в виде сетки, размещенной по границам зерен.

Третичный

Этот тип, является производным от феррита. Он имеет форму иголок.

В металлургии существуют и другие формы цементита, например, цементит Стеда и пр.

Другие структурные составляющие в системе железо углерод

Перлит

Перлит – это механическая смесь, которая состоит из феррита и цементита. Ледебурит представляет собой переменный раствор.

При температуре от 1130 и до 723 °С в его состав входят аустенит и цементит. При более низких температурах он состоит из аустенит заменяет феррит.

Ледебурит в сталях

Стали, в основании которых лежит ледебурит относят к легированным. В процессе кристаллизации происходит образование ледебурита. На диаграмме состояния железо углерод этот процесс указан в точке Е, которая расположена на линии Fe – Fe3C.

Использование таких элементов, как хром, вольфрам и некоторых других, приводят к образованию таких сплавов как Р6М5. Эту сталь и ее аналоги применяют при изготовлении инструментов, например, металлорежущих.

Узловые критические точки диаграммы состояния системы железо углерод

На диаграмме железо углерод отмечено некоторое количество точек, называемых критичными. Каждая точка несет в себе информацию о температуре, долевом содержании углерода и описанием того, что именно происходит в этом месте.

Всего существует 14 этих критичных точек.

Например, А, говорит о том, что при температуре 1539 °С и при нулевом содержании углерода происходит плавление чистого железа. D говорит о том, что при температуре 1260 возможно плавление Fe3c.

Точки расположены на пересечении линий, размещенных на диаграмме.

Значение линий диаграммы состояния системы железо углерод

Каждая линия, расположенная на диаграмме, так же несет в себе смысловую нагрузку. Например, линия PQ показывает выделение третичного цементита из феррита.

Все расшифровки значений точек и линий всегда есть в приложениях к диаграмме состояния углерод железо.

Источник

Привет студент

Критические точки железа и железоуглеродистых сплавов

Кривые охлаждения и нагрева чистого железа представлены на фиг. 85. На них видим четыре критические точки: для кривой нагрева 770, 910, 1390 и 1539°; для кривой охлаждения 1539, 1390, 906 и 770°. Критическая точка 1539° соответствует переходу железа из жидкого состояния в твердое и из твердого в жидкое; температура 770° является температурой точки Кюри, остальные критические точки указывают на структурные превращения железа в твердом состоянии.

Неполное совпадение второй снизу критической точки на кривой охлаждения с аналогичной точкой на кривой нагрева указывает на склонность железа к переохлаждению (гистерезису) при переходе через эту критическую точку.

Критические точки на кривых охлаждения и нагрева железа принято обозначать буквой А с индексом r, если точка находится на кривой охлаждения, и с индексом с на кривой нагрева; кроме того, при r и с ставится цифра, указывающая положение рассматриваемой точки на кривой.

При охлаждении температура перехода от б к у обозначается точкой Ar₄, от y к а — Ar₃, при нагревании от а к у —- Ac₃, от у к б — Aс₄; при магнитном превращении явление гистерезиса не имеет места, поэтому соответствующая температура обозначается просто A₂.

Точки Ar₁ и Ac₄ отсутствуют на кривых охлаждения и нагрева чистого железа; они появляются на кривых охлаждения и нагрева различных сплавов железа с углеродом и соответствуют равновесной температуре 723°

Железо в модификациях y и б, а также а выше 770° не обладает ферромагнитными свойствами. Железо модификации у способно к образованию твердых растворов с углеродом; a-Fe и б-Fe обладают этой способностью в весьма слабой степени. Все модификации железа способны к образованию твердых растворов с Mn, Si, Cr, W, Mo, V, Ni, Al, P.

Твердый раствор на основе a-Fe носит название феррит, твердый раствор на основе y-Fe принято называть аустенитом.

Так, например, для сплава, содержащего 4,3% С, кривая охлаждения будет иметь вид, представленный на фиг. 87, для сплава, содержащего 0,83% С, — вид, представленный на фиг, 88, и т. д. Анализ этих кривых дается ниже.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Источник

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Компоненты

Основными компонентами являются железо Fe и углерод С и оба являются полиморфными.

Чем чище железо, тем меньше прочностные показатели и выше показатели пластичности.

Железо плавится при температуре 1539 °С и имеет две модификации: Fe_a и Fe_Y. Fe_a существует при температурах до 911 °С и в интервале от 1392 до 1539 °С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм (при температуре 20–25 °С). Важной особенностью Fe_a является его ферромагнетизм ниже температуры 768°С, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe_y существует в интервале температур от 911 до 1392 °С, имеет ГЦК решетку, период которой при 911 °С равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК решетка, и поэтому при переходе Fe_a в Fe_Y объем железа уменьшается приблизительно на 1%. Fe_Y парамагнитно.

Углерод – неметаллический элемент (T_пл = 3500 °С). В свободном состоянии встречается в виде алмаза и графита.

В сплавах с железом встречается либо в виде графита (серый, ковкий и высокопрочный чугуны), либо в виде химического соединения с железом Fe₃C – цементита (стали и белые чугуны).

Критические точки сплавов

Критическая точка – температура, при которой в сплаве происходят фазовые превращения. Критические точки определяют по кривым охлаждения сплавов.

В зависимости от характера превращения критические точки имеют собственные имена: ликвидус, солидус, сольвус (табл. 6.1) и др.

Каждая точка диаграммы состояния характеризует строго определенный состав сплава при соответствующей температуре. Точка А (1539 °С) отвечает температуре плавления железа, точка D (≈ 1250 °С) – температуре плавления цементита, точки N (1392 о С) и G (910 °С) соответствуют полиморфному превращению Feα↔Feγ.

Виды критических точек сплавов

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния следующая: В – 0,51% С в жидкой фазе, находя-щейся в равновесии с δ-ферритом (Fe_δ(C)) и аустенитом (Feγ(C)), при перитектической реакции и при 1499 о С; Н – 0,1% С в δ— феррите при 1490 о С; J – 0,16% C – в аустените-перитектике при 1490 о С; Е – 2,14% предельное содержание в аустените при 1147 °С; S – 0,8% С в аустените при реакции эвтектоидного превращения 727 °С; Р – 0,02% С – предельное содержание в феррите (Fe_α(C)) при 727 °С.

Линия, соединяющая точки АВСD на диаграмме, – линия ликвидус. Выше этой линии все железоуглеродистые сплавы находятся в жидком состоянии. Линия АHJECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии и при дальнейшем охлаждении происходят только процессы, связанные с изменением растворимости углерода в Fe_α и Fe_γ, а также процессы, которые обусловливаются аллотропическим (полиморфным) превращением железа.

Линия АВ указывает температуру начала кристаллизации δ- феррита из жидкого сплава; линия ВС – температуру начала кристаллизации аустенита; линия CD – температуру начала кристаллизации первичного цементита. При достижении температуры 1147 °С ECF (эвтектики) состав жидкой фазы любого сплава, расположенного между точками E и F диаграммы, будет соответствовать точке C (4,3% С). При этой температуре оставшаяся часть жидкой фазы состава 4,3% углерода кристаллизуется с образованием эвтектики – механической смеси кристаллов аустенита и цементита, называемой ледебуритом.

Ниже линии GS происходит полиморфное превращение аустенита в феррит.

Линия SE является линией насыщения и показывает, как изменяется растворимость углерода Fe_γ с изменением температуры. Вследствие уменьшения растворимости углерода в Fe_γ при понижении температуры из пересыщенного аустенита будет выделяться вторичный цементит Ц_II.

Линия PSK 727 °C является линией эвтектоидного превращения. При этой температуре аустенит (А_s) состава точки S (0,8% C) распадается с образованием перлита (П_s): А_s→ П_s→ (Ф + Ц).

Значения точек на диаграмме железо – цементит

Превращение в диаграмме Fe–Fe₃C

В диаграмме (рис. 6.6) отмечено три линии, параллельные оси концентрации – HJB, ECF и PSK, характеризующие различные превращения.

Рис. 6.6. Область перитектического превращения к диаграмме Fe-Fe₃C

Линия HJB характеризует перитектическое превращение (рис. 6.6), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. В (0,5% С) и высокотемпературного феррита концентрации т. Н (0,1% С) образуется одна фаза – аустенит концентрации т. J (0,16% С).

Рассмотрим кривую охлаждения сплава 1 с содержанием углерода 0,16% (точно соответствующего перитектической реакции). В т. 1 в жидкости начинается кристаллизация твердой фазы – феррита, которого по мере охлаждения становится всё больше и к т. 2 он приобретает концентрацию т. Н. Оставшаяся жидкость в этот момент имеет концентрацию т. В. При взаимодействии Ф_н и Ж_в происходит перитектическое превращение с образованием A_J. В интервале концентраций между т. Н и J после превращения остается избыточный феррит, а между т. J и В – избыточная жидкость, которая по мере охлаждения также превращается в аустенит, но иной концентрации, чем перитектический. По мере охлаждения концентрация аустенита за счет диффузии атомов углерода уравнивается.

В сплавах с содержанием углерода менее 0,1% и более 0,5% перитектическое превращение не идет.

Линия ECF характеризует эвтектическое превращение (рис. 6.7), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. С (4,3% С) кристаллизуется механическая смесь двух фаз – аустенита концентрации, т. Е (2,14% С) и цементита: Ж_с – А_е + Ц.

Эвтектическая механическая смесь носит название «ледебурит» и имеет концентрацию т. С (4,3% С). Как и все превращения, эвтектическое идет при остановке температуры (т.1–1) и заканчивается при кристаллизации всей жидкости.

Итак, эвтектический чугун имеет при температуре ниже 1147 °С структуру ледебурита, состоящего из А + Ц. В доэвтектическом чугуне в т. 2 (рис. 6.7, сплав 2) из жидкости вначале кристаллизуются зерна аустенита. По мере охлаждения количество аустенита растет, а жидкость обогащается углеродом (концентрация изменяется по линии ВС) и при температуре 1147 °С имеет концентрацию т. С (4,3% С), т.е. эвтектическую.

В т. 3–3′ идет эвтектическое превращение до полной кристаллизации жидкости в ледебурит. Следовательно, доэвтектический чугун наряду с ледебуритом имеет в структуре зёрна первоначально образованного аустенита. По аналогии в заэвтектическом чугуне (рис. 6.7, сплав 3) первоначально из жидкости выделяется цементит, обедняя жидкость, которая при температуре 1147 °С также имеет эвтектическую концентрацию.

Рис. 6.7. Область эвтектического превращения в диаграмме железо-цементит

Рис. 6.8. Область эвтектоидного превращения в диаграмме железо-цементит

Заэвтектический чугун наряду с эвтектикой – ледебуритом имеет пластины первоначально выделившегося из жидкости цементита, отмечаемого как первичный (Л + Ц).

Впоследствии при охлаждении чугуна входящий в его структуру аустенит на линии PSK претерпевает эвтектическое превращение с образованием перлита. Чугун ниже 727 °С имеет следующую структуру: эвтектический – ледебурит (П + Ц); доэвтектический П + Л (П + Ц); заэвтектический – Ц + Л (П + Ц).

Линия PSK характеризует эвтектоидное превращение (рис. 6.8), суть которого в том, что из аустенита концентрации т. S (0,8% С) обра-зуется механическая смесь двух фаз – феррита концентрации т. Р (0,02% С) и цементита: А – Ф_р + Ц.

Механическая эвтектоидная смесь носит название «перлит» и имеет содержание углерода 0,8%. Как правило, в равновесном состоянии в сталях перлит имеет пластинчатое строение (чередующиеся пластины феррита и цементита). Эвтектоидное превращение идет с остановкой температуры до исчезновения аустенита (рис. 6.8, сплав 1, т, 11′). Наиболее характерно образование эвтектоидной смеси перлита для сталей. Стали даже получили деление на эвтектоидные, доэвтектоидные и заэвтектоидные.

В заэвтектической стали (рис. 6.8, сплав 3) из аустенита первоначально выделяется цементит, называемый вторичным – Ц_ΙΙ, обедняя аустенит по углероду, концентрация которого по мере охлаждения аустенита приближается к концентрации т. S. Далее, аустенит превращается в эвтектоидную смесь – перлит по известной схеме. В результате структура заэвтектоидной стали представляет собой перлит и цементит вторичный (П + Ц_ΙΙ ). Отличительной особенностью является то, что Ц_ΙΙ выделяется в виде сетки по границам зерна аустенита на месте которого может возникнуть в последующем несколько зёрен перлита. Отсюда и структура заэвтектоидной стали при температуре менее 727 °С: зёрна перлита и сетка Ц_ΙΙ, окаймляющего одно или несколько зёрен перлита пластинчатого.

Как ранее было отмечено, в технически чистом железе находится не более 0,02% С, что и определяет специфику формирования его структуры. Из диаграммы Fe – Fe₃C видно (рис. 6.9), что эвтектоидного превращения для такого рода сплавов не происходит. Из аустенита при охлаждении начинает выделяться феррит (сплав I, т.1–2; сплав II, т.3–4). Разница феррита и сплавов только в количестве растворенного углерода. Если углерода менее 0,01%, то структура феррита остаётся неизменной вплоть до комнатной температуры. Если же углерода более 0,01% и до 0,02%, то при пересечении при охлаждении линии PQ растворимость углерода в феррите падает (рис. 6.9, сплав II) и углерод выделяется по границам зёрен феррита в виде включений Ц_ΙΙΙ (цементита третичного).

Рис. 6.9. Ферритная область диаграммы Fe – Fe₃C

Процесс выделения Ц_ΙΙΙ из феррита характерен для всех железоуглеродистых сплавов, имеющих в структуре феррит, просто его уловить в других структурах практически невозможно вследствие его объединения с другими видами цементита.

Пример расчёта количества структурных составляющих и фаз

В качестве примера рассмотрим расчёт весового количества структурных составляющих и фаз с помощью правила отрезков в заэвтектоидной стали с 1,5% углерода при 600 °С (рис. 6.13).

Содержания структурных составляющих определяются последова-тельно по мере их образования в процессе охлаждении сплава с применением правила отрезков для двух сосуществующих фаз или структурных составляющих по коноде abc6def. Величину отрезков будем измерять в процентах углерода. Считаем, что концентрация в точке а 0,01% углерода.

Определим фазовый состав в точке 6:

Количество структурных составляющих в точке 6:

Учитывая некоторые особенности в использовании коноды для области диаграммы, где находятся три структурные составляющие, рассмотрим расчёт для такого случая на примере точки 7 (содержание углерода 4% при температуре 600 °С):

Рис. 6.13. Схема для изучения превращений, происходящих в стали с содержанием углерода 1,5% при медленном охлаждении: а – диаграмма состояния;

б – кривая кристаллизации сплава

Компоненты

Основными компонентами являются железо Fe и углерод С и оба являются полиморфными.

Чем чище железо, тем меньше прочностные показатели и выше показатели пластичности.

Железо плавится при температуре 1539 °С и имеет две модификации: Fe_a и Fe_Y. Fe_a существует при температурах до 911 °С и в интервале от 1392 до 1539 °С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм (при температуре 20–25 °С). Важной особенностью Fe_a является его ферромагнетизм ниже температуры 768°С, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe_y существует в интервале температур от 911 до 1392 °С, имеет ГЦК решетку, период которой при 911 °С равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК решетка, и поэтому при переходе Fe_a в Fe_Y объем железа уменьшается приблизительно на 1%. Fe_Y парамагнитно.

Углерод – неметаллический элемент (T_пл = 3500 °С). В свободном состоянии встречается в виде алмаза и графита.

В сплавах с железом встречается либо в виде графита (серый, ковкий и высокопрочный чугуны), либо в виде химического соединения с железом Fe₃C – цементита (стали и белые чугуны).

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Структуры могут быть однофазные, двухфазные и многофазные. К однофазным структурам относят феррит, аустенит, цементит.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Fe_a. В низкотемпе-ратурной модификации Fe_a максимальная растворимость углерода равна 0,02% при температуре 727 °С (т. Р), в высокотемпературной модификации Fe_a – 0,1% при температуре 1499 °С (т. Н). При комнатной температуре в феррите содержится 0,01% С. Характеризуется низкой прочностью (σ_в= 250 МПа) и твердостью 63-130 НВ, высокой пластичностью (относительное удлинение δ = 40%). На диаграмме состояния феррит занимает область GPQ. Образуется из аустенита (рис. 6.2).

Аустенит– твердый раствор внедрения углерода в F_Y с ГЦК решеткой. Максимальная растворимость равна 2,14% при температуре 1147 °С (т. Е), что практически на два порядка выше, чем в феррите. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ 160–200). Аустенит парамагнитен (рис. 6.3).

Рис. 6.4. Феррит и аустенит

Цементит – химическое соединение железа с углеродом. Стехиометрическая формула цементита – Fe₃C (карбид железа), содержит 6,67% С. Цементит имеет сложную орторомбическую кристаллическую решётку (рис. 6.5), обладает высокой твердостью (НВ 800) и большой хрупкостью. Чем больше цементита в сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. По условиям образования различают: первичный цементит Ц_I (образуется при кристаллизации из жидкости в виде больших светлых кристаллов), вторичный цементит Ц_п (выделяется из аустенита в виде сетки по границам зерен), третичный цементит Ц_ш (выделяется из графита в виде мелких зерен).

В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму – равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру.

Цементит в разных количествах, в зависимости от концентрации, присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Формируется в процессе кристаллизации из расплава чугуна. Выделается в сталях при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Цементит является фазовой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, составной частью ледебурита, перлита, сорбита и троостита. Цементит – представитель так называемых фаз внедрения, соединений переходных металлов с легкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи. Прочность 8500 МПа.

Рис. 6.5. Кристаллическое строение цементита

К двухфазным составляющим относят перлит и ледебурит.

Перлит– механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита (Ф+Ц). Существует ниже 727 °С и содержит 0,8% С. Образуется в результате распада аустенита в процессе его охлаждения при температурах ниже 727 °C. Перлит в зависимости от формы частичек цементита бывает пластинчатым или зернистым, что определяет его механические свойства. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей (σ_в = 800-900 МПа, δ ≤ 16%, 180-220 HB).

Ледебурит– механическая смесь (эвтектика) в области температур от 1147 до 727 °С состоит из аустенита и цементита (А+Ц), а ниже 727 °С состоит из перлита и цементита (П+Ц). Содержит 4,3% С.

Критические точки сплавов

Критическая точка – температура, при которой в сплаве происходят фазовые превращения. Критические точки определяют по кривым охлаждения сплавов.

В зависимости от характера превращения критические точки имеют собственные имена: ликвидус, солидус, сольвус (табл. 6.1) и др.

Каждая точка диаграммы состояния характеризует строго определенный состав сплава при соответствующей температуре. Точка А (1539 °С) отвечает температуре плавления железа, точка D (≈ 1250 °С) – температуре плавления цементита, точки N (1392 о С) и G (910 °С) соответствуют полиморфному превращению Feα↔Feγ.

Виды критических точек сплавов

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния следующая: В – 0,51% С в жидкой фазе, находя-щейся в равновесии с δ-ферритом (Fe_δ(C)) и аустенитом (Feγ(C)), при перитектической реакции и при 1499 о С; Н – 0,1% С в δ— феррите при 1490 о С; J – 0,16% C – в аустените-перитектике при 1490 о С; Е – 2,14% предельное содержание в аустените при 1147 °С; S – 0,8% С в аустените при реакции эвтектоидного превращения 727 °С; Р – 0,02% С – предельное содержание в феррите (Fe_α(C)) при 727 °С.

Линия, соединяющая точки АВСD на диаграмме, – линия ликвидус. Выше этой линии все железоуглеродистые сплавы находятся в жидком состоянии. Линия АHJECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии и при дальнейшем охлаждении происходят только процессы, связанные с изменением растворимости углерода в Fe_α и Fe_γ, а также процессы, которые обусловливаются аллотропическим (полиморфным) превращением железа.

Линия АВ указывает температуру начала кристаллизации δ- феррита из жидкого сплава; линия ВС – температуру начала кристаллизации аустенита; линия CD – температуру начала кристаллизации первичного цементита. При достижении температуры 1147 °С ECF (эвтектики) состав жидкой фазы любого сплава, расположенного между точками E и F диаграммы, будет соответствовать точке C (4,3% С). При этой температуре оставшаяся часть жидкой фазы состава 4,3% углерода кристаллизуется с образованием эвтектики – механической смеси кристаллов аустенита и цементита, называемой ледебуритом.

Ниже линии GS происходит полиморфное превращение аустенита в феррит.

Линия SE является линией насыщения и показывает, как изменяется растворимость углерода Fe_γ с изменением температуры. Вследствие уменьшения растворимости углерода в Fe_γ при понижении температуры из пересыщенного аустенита будет выделяться вторичный цементит Ц_II.

Линия PSK 727 °C является линией эвтектоидного превращения. При этой температуре аустенит (А_s) состава точки S (0,8% C) распадается с образованием перлита (П_s): А_s→ П_s→ (Ф + Ц).

Значения точек на диаграмме железо – цементит

Превращение в диаграмме Fe–Fe₃C

В диаграмме (рис. 6.6) отмечено три линии, параллельные оси концентрации – HJB, ECF и PSK, характеризующие различные превращения.

Рис. 6.6. Область перитектического превращения к диаграмме Fe-Fe₃C

Линия HJB характеризует перитектическое превращение (рис. 6.6), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. В (0,5% С) и высокотемпературного феррита концентрации т. Н (0,1% С) образуется одна фаза – аустенит концентрации т. J (0,16% С).

Рассмотрим кривую охлаждения сплава 1 с содержанием углерода 0,16% (точно соответствующего перитектической реакции). В т. 1 в жидкости начинается кристаллизация твердой фазы – феррита, которого по мере охлаждения становится всё больше и к т. 2 он приобретает концентрацию т. Н. Оставшаяся жидкость в этот момент имеет концентрацию т. В. При взаимодействии Ф_н и Ж_в происходит перитектическое превращение с образованием A_J. В интервале концентраций между т. Н и J после превращения остается избыточный феррит, а между т. J и В – избыточная жидкость, которая по мере охлаждения также превращается в аустенит, но иной концентрации, чем перитектический. По мере охлаждения концентрация аустенита за счет диффузии атомов углерода уравнивается.

В сплавах с содержанием углерода менее 0,1% и более 0,5% перитектическое превращение не идет.

Линия ECF характеризует эвтектическое превращение (рис. 6.7), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. С (4,3% С) кристаллизуется механическая смесь двух фаз – аустенита концентрации, т. Е (2,14% С) и цементита: Ж_с – А_е + Ц.

Эвтектическая механическая смесь носит название «ледебурит» и имеет концентрацию т. С (4,3% С). Как и все превращения, эвтектическое идет при остановке температуры (т.1–1) и заканчивается при кристаллизации всей жидкости.

Итак, эвтектический чугун имеет при температуре ниже 1147 °С структуру ледебурита, состоящего из А + Ц. В доэвтектическом чугуне в т. 2 (рис. 6.7, сплав 2) из жидкости вначале кристаллизуются зерна аустенита. По мере охлаждения количество аустенита растет, а жидкость обогащается углеродом (концентрация изменяется по линии ВС) и при температуре 1147 °С имеет концентрацию т. С (4,3% С), т.е. эвтектическую.

В т. 3–3′ идет эвтектическое превращение до полной кристаллизации жидкости в ледебурит. Следовательно, доэвтектический чугун наряду с ледебуритом имеет в структуре зёрна первоначально образованного аустенита. По аналогии в заэвтектическом чугуне (рис. 6.7, сплав 3) первоначально из жидкости выделяется цементит, обедняя жидкость, которая при температуре 1147 °С также имеет эвтектическую концентрацию.

Рис. 6.7. Область эвтектического превращения в диаграмме железо-цементит

Рис. 6.8. Область эвтектоидного превращения в диаграмме железо-цементит

Заэвтектический чугун наряду с эвтектикой – ледебуритом имеет пластины первоначально выделившегося из жидкости цементита, отмечаемого как первичный (Л + Ц).

Впоследствии при охлаждении чугуна входящий в его структуру аустенит на линии PSK претерпевает эвтектическое превращение с образованием перлита. Чугун ниже 727 °С имеет следующую структуру: эвтектический – ледебурит (П + Ц); доэвтектический П + Л (П + Ц); заэвтектический – Ц + Л (П + Ц).

Линия PSK характеризует эвтектоидное превращение (рис. 6.8), суть которого в том, что из аустенита концентрации т. S (0,8% С) обра-зуется механическая смесь двух фаз – феррита концентрации т. Р (0,02% С) и цементита: А – Ф_р + Ц.

Механическая эвтектоидная смесь носит название «перлит» и имеет содержание углерода 0,8%. Как правило, в равновесном состоянии в сталях перлит имеет пластинчатое строение (чередующиеся пластины феррита и цементита). Эвтектоидное превращение идет с остановкой температуры до исчезновения аустенита (рис. 6.8, сплав 1, т, 11′). Наиболее характерно образование эвтектоидной смеси перлита для сталей. Стали даже получили деление на эвтектоидные, доэвтектоидные и заэвтектоидные.

В заэвтектической стали (рис. 6.8, сплав 3) из аустенита первоначально выделяется цементит, называемый вторичным – Ц_ΙΙ, обедняя аустенит по углероду, концентрация которого по мере охлаждения аустенита приближается к концентрации т. S. Далее, аустенит превращается в эвтектоидную смесь – перлит по известной схеме. В результате структура заэвтектоидной стали представляет собой перлит и цементит вторичный (П + Ц_ΙΙ ). Отличительной особенностью является то, что Ц_ΙΙ выделяется в виде сетки по границам зерна аустенита на месте которого может возникнуть в последующем несколько зёрен перлита. Отсюда и структура заэвтектоидной стали при температуре менее 727 °С: зёрна перлита и сетка Ц_ΙΙ, окаймляющего одно или несколько зёрен перлита пластинчатого.

Как ранее было отмечено, в технически чистом железе находится не более 0,02% С, что и определяет специфику формирования его структуры. Из диаграммы Fe – Fe₃C видно (рис. 6.9), что эвтектоидного превращения для такого рода сплавов не происходит. Из аустенита при охлаждении начинает выделяться феррит (сплав I, т.1–2; сплав II, т.3–4). Разница феррита и сплавов только в количестве растворенного углерода. Если углерода менее 0,01%, то структура феррита остаётся неизменной вплоть до комнатной температуры. Если же углерода более 0,01% и до 0,02%, то при пересечении при охлаждении линии PQ растворимость углерода в феррите падает (рис. 6.9, сплав II) и углерод выделяется по границам зёрен феррита в виде включений Ц_ΙΙΙ (цементита третичного).

Рис. 6.9. Ферритная область диаграммы Fe – Fe₃C

Процесс выделения Ц_ΙΙΙ из феррита характерен для всех железоуглеродистых сплавов, имеющих в структуре феррит, просто его уловить в других структурах практически невозможно вследствие его объединения с другими видами цементита.

Источник