Wabashpress.ru

Техника Гидропрессы
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Метастабильная диаграмма состояния железо-углерод – steel-guide

Метастабильная диаграмма состояния железо-углерод – steel-guide

– это графическое отображение структуры сплавов, состоящих только из железа и углерода, в зависимости от исходной средней концентрации углерода и текущей температуры сплава. Диаграмма железо-углерод позволяет понять процессы, происходящие при
термообработке стали
.


Диаграмма железо-углерод (железо-цементит). Упрощенная

Классификация железоуглеродистых сплавов

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

  1. Техническое железо.
  2. Стали.
  3. Чугуны.

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%.

Выводы

Достичь абсолютного равновесия, как физического, так и химического, невозможно, кроме как в специальных лабораторных условиях.

На практике равновесие может быть приближено к абсолютному, но при определенных условиях: достаточно медленного повышения или понижения температуры сплава, который будет длительно выдерживаться по времени.

  • https://FB.ru/article/340918/diagramma-jeleza-ugleroda-diagramma-sostoyaniya-sistemyi-jelezo-uglerod
  • https://PokVorota3.ru/prokat/zhelezo-uglerod-2.html
  • https://intehstroy-spb.ru/spravochnik/diagramma-sostoyaniya-zhelezo-uglerod-2.html
  • https://NiceSpb.ru/materialy/diagramma-zhelezo.html
  • https://pressadv.ru/stali/zhelezo-uglerod.html
  • https://wiki2.org/ru/%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D0%B0_%D1%81%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%81%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BE%D0%B2_%D0%B6%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%BE-%D1%83%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4
  • https://generator98.ru/raboty-so-stalyu/tablica-zhelezo-uglerod.html

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.

Свойства технически чистого железа

Магнитные свойства железа при различных температурах:

  • менее 768° С – ферромагнитно;
  • более 768° С – парамагнитно.

А температурную точку 768° С называют точкой магнитного превращения, или точкой Кюри.

Свойства технически чистого железа:

  • твердость – 80 НВ;
  • временное сопротивление – 250 МПа;
  • предел текучести – 120 МПа;
  • относительное удлинение 50 %;
  • относительное сужение – 80 %;
  • высокий модуль упругости.

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.

Читайте так же:
Обозначение масляного выключателя на схеме

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.

Чугуны

Сплавы на диаграмме железо-углерод, которые содержат углерода более, чем 2,14 %, называются чугунами. Они обладают высокой хрупкостью. Поперечное сечение такого чугуна имеет светлый тон, а потому его называют белым чугуном.

На диаграмме это точка С, называемая эвтектикой, с соответствующим содержанием углерода 4,3 %. При кристаллизации образуется смесь, состоящая из аустенита и цементита, в совокупности называемая ледебуритом. Фазовый состав постоянен.

При концентрации углерода менее 4,3 % (доэвтектический чугун) при кристаллизации выделяется аустенит из раствора. Далее из него выделяется Ц2. А при 727° С аустенит превращается в перлит. Структурное состояние такого чугуна следующее: крупные участки перлита темного тона.

В заэвтектическом белом чугуне (углерода более 4,3%) при охлаждении структурирование происходит с образованием кристаллов Ц1. Далее превращения осуществляются уже в твердом состоянии. Структура представляет собой ледебурит, который является фоном для полей перлита темного тона. А крупные пласты – это Ц1.

диаграмма сплавов железа с углеродом

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.

История открытия

Впервые на то, что в сплавах (сталях и чугунах) есть определенные (особые) точки, указал великий металлург и изобретатель – Дмитрий Константинович Чернов (1868 год). Именно он сделал важное открытие о полиморфных превращениях и является одним из создателей диаграммы состояния железо-углерод. По мнению Чернова, положение этих точек на диаграмме имеет прямую зависимость от процентного содержания углерода.
И что самое интересное, именно с момента этого открытия и начинает свою жизнь такая наука, как металлография.

Диаграмма сплавов железа с углеродом является результатом кропотливого труда ученных нескольких стран мира. Все буквенные обозначения главных точек и фаз в диаграмме являются интернациональными.

Определение содержания углерода и марки сталей

К сплавам железа с углеродом относятся техническое железо, стали и чугуны. Техническое железо может содержать от 0,006 до 0,02 % углерода. К сталямотносятся сплавы с содержанием угле-рода от 0,02 до 2,14 %. Сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 % называются чугунами.

Различают диаграммы состояния «железо-графит» (Fe–C) и «железо-цементит» (Fe–Fe3C).

При нагреве до 911 ºС железо имеет ОЦК решётку и такое железо называется α–железо (Feα). Железо с ГЦК решёткой устойчиво до 1392 ºС и оно называется γ – железо или Feγ.

Жидкая фаза(Ж) представляет собой неограниченный раствор углерода в железе в расплавленном состоянии.

Феррит(Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α–и δ–же-лезе.

Аустенит(A)–твердый раствор внедрения углерода в γ–железе. Он имеет (как и Feγ) ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке.

Цементит(Ц) является химическим соединением железа с углеродом Fe3C, содержит 6,67 % C. Для цементита характерна высокая твердость (800 HBW) и очень низкая пластичность (хрупок).

Из этого следует, что цементит в сплавах железа с углеродом повы-шает их твердость, но уменьшает вязкость и пластичность.

Система «железо-цементит» считается не стабильной, так как карбид железа Fe3C при нагреве распадается с образованием свобод-ного углерода – графита. Диаграмма состояния «железо-цементит» представлена на рис. 4.1. По такой диаграмме кристаллизуются стали и белые чугуны.

Рис. 4.1. Диаграмма состояния системы «железо-цементит» (Fe-Fe3C)

Особенностью данной диаграммы является то, что по оси абсцисс откладывается содержание углерода от 0 до 6, 67 % и цементита Fe3C от 0 до 100 %. Характерные точки диаграммы состояния приведены в табл. 4.1.

Характерные точки диаграммы «железо-цементит»

Обозна- чениеКоординаты точкиПримечания
t, °СC, %Fe3C, %
АТемпература кристаллизации (плавле-ния) чистого железа
D6,67Температура кристаллизации (распада) цементита
NТемпература полиморфного превращения железа Feδ />Feγ
E2,1432,1Предельная растворимость углерода в аустените (граница между сталями и чугунами) при 1147 °С
C4,364,5Эвтектическая точка сплава, где идётпревращение Ж↔Л (А + Ц)
GТемпература полиморфного превраще-ния железа: Feα />Feγ
P0,020,3Предельная растворимость углерода в феррите при 727 °С
S0,812,0Предельная растворимость углерода в аустените при 727 °С; эвтектоидная точка сплава: А↔П (Ф + Ц)
Q0,0060,09Предельная растворимость (концентра-ция) углерода в феррите при 20 °С

В сплавах, содержащих от 4,3 до 6,67 % углерода, по линии CD начинают выделяться кристаллы цементита. Так как цементит выделяется из жидкого сплава, его называют первичным (ЦI). При температуре 1147 °С, соответствующей линии ECF, происходит эвтектическое превращение, при котором жидкий раствор состава, соответствующего точке С (4,3 % углерода) кристаллизуется с одновременным образованием двух фаз: аустенита состава точки Е (2,14 % углерода) и цементита, содержащего 6,67 % углерода:ЖС ↔АЕ + ЦF. Полученная смесь двух фаз называется ледебуритом Л(А+Ц). Сплав, соответствующий 4,3 % углерода называют эвтектческим. Чугун, содержащий менее 4,3 % углерода, называют доэвтектическим, более 4,3 % углерода – заэвтектическим.

Линия PSK называется эвтектоидной. При температурах ниже линии РQ начинается выделение углерода из феррита, обусловленное снижением раство-римости углерода в феррите при понижении температуры. Выделив-шийся углерод взаимодействует с основой (железом) сплава и обра-зуется цементит третичный (ЦIII).

Читайте так же:
Плазморез чпу реальность каждого гаражника

Структурная классификация железоуглеродистых сплавов

Содерж.С,%Название сплаваСтруктураПрименение сплавов
< 0,006Чистое железоФОграниченное применение
0,006… 0,02Техническое железоФ+ЦIIIСердечники трансфор- маторов
0,02…0,8Доэвтектоидная стальФ+ПДетали машин и конст-рукций
0,8Эвтектоидная стальПРежущий и мерительный инструмент
0,8…2,14Заэвтектоидная стальП+ЦIIРежущий и мерительный инструмент
2,14… 4,3Доэвтектический белый чугунП+ЦIIДетали машин с высокой износоустойчивостью, получаемые литьем
4,3Эвтектический белый чугунледебурит Л (П+Ц)
4,3…6,67Заэвтектический белый чугунЛ+ ЦI
Примечание:сокращения: Ф = Feα– феррит; П = (Ф+Ц)– перлит; ЦI, ЦII, ЦIII–цементит (первичный, вторичный, третичный); Л = (П+Ц)– ледебурит.

Из таблицы следует, что в зависимости от содержания углерода при комнатной температуре стали имеют следующие структурные составляющие: феррит, перлит, цементит.

Структура чистого железа – феррит (рис. 4.2, а), техническо-го железа –ферритные зёрна, по границам которых видны частицы третичного цементита ЦIII (рис. 4.2, б).

Рис. 4.2. Микроструктура технического железа (0,01 % С): а – ферритные зёрна, х100; б– по границам ферритных зёрен видны частицы ЦIII, х300; в– схема микроструктуры

Доэвтектоидные сталиимеют феррито–перлитную структуру (рис. 4.3): светлые зерна представляют собой феррит, а темные – перлит.

Рис. 4.3. Микроструктура доэвтектоидной стали с содержанием углерода, х250: а – 0,1 %; б–0, 3 %; в– схема микроструктуры

Эвтектоидная сталь имеет полосчатую структуру перлита (рис. 4.4), которая хорошо просматривается при увеличениях более х450.

а бРис. 4.4. Микроструктура эвтектоидной стали (0,8 % С): а – фотография, х500; б – схема микроструктуры

Структура заэвтектоидной стали– перлит с сеткой вторичного цементита по границам зерен (рис. 4.5). Чем больше содержание углерода от 0,8 %, тем толще становится сетка цементита.

Рис. 4.5. Микроструктура заэвтектоидной стали (1,2 % С):

а – фотография, х300; б- схема микроструктуры

Определение содержания углерода и марки сталей

В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по формуле:

где Fn – площадь, занятая в структуре перлитом, %;
0,8 – процентное содержание углерода в перлите.

Пример: если перлит занимает примерно 25 % площади шлифа, то содержание углерода будет

При определении содержания углерода в заэвтектоидной стали необходимо учитывать его содержание не только в перлите, но и в цементите. Содержание углерода в заэвтектоидной стали вычис-ляется по формуле:

где (100–Fп) – площадь, занятая цементитом, %.

Увеличение содержания углерода в структуре доэвтектоидных сталей приводит к повышению количества твёрдого и хрупкого цементита, а количество мягкого, пластичного феррита уменьша-ется. Поэтому с увеличением количества твёрдых частиц цементита повышается прочность σв, твёрдость НВ (рис. 4.6), и одновременно снижается пластичность (δ, ψ) и ударная вязкость (КСV) сталей.

Рис. 4.6. Зависи-мость механических свойств стали от со-держания углерода горячекатаных прут-ков, без термообра-ботки: НВ – твёрдость; σв–предел прочно-сти; δ–относительное удлинение; ψ–относительное сужение; КСV – ударная вяз-кость

Кроме углерода в сталях всегда присутствуют постоянные примеси. К ним относятся: 1) марганец и кремний. Они вводятся при разливке стали для её раскисления (удаления кислорода); 2) вредные примеси – сера и фосфор, которые поступают в сталь из руды и топлива при её выплавке.

Наличие серы приводит к образованию легкоплавкой эвтектики Fe+FeS. Она при горячей обработки давле-нием, при температурах

988 ºС, расплавляясь образует жидкую фазу и вызывает хрупкость в стали. Это явление называется крас-ноломкостью.

Образование фосфидов (соединений фосфора с металлами) или образование твёрдого раствора фосфора в железе способствует рез-кому снижению пластичности при пониженных температурах и появлению хладноломкости.

Стали конструкционные обыкновенного качества.Они по степени раскисления и характеру затвердевания классифицируются на стали спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп).Обозна-чают их буквами Ст и цифрами от 0 до 6: Ст0; Ст1…Ст6. Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависи-мости от её химического состава, буквы около цифры «кп», «пс», «сп» показывают степень раскисления (например, Ст1кп, Ст5сп). Сталь Ст0 по степени раскисления не различают. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1…Ст6, кипящими — Ст1…Ст4.

Качественные конструкционные стали маркируютсяпо ГОСТ 1050-2006 записью «Сталь» и числами 08, 10, 15,…, 60.

Высококачественными выплавляют инструментальные и ле-гированные стали, в конце маркировки они имеют букву А.

Особо высококачественными выплавляются электрошлако-вым переплавом стали специального назначения, в конце маркиров-ки ставится через тире буква Ш: сталь 15Х7Н2Т-Ш, 45ХНЗМФ-Ш.

Инструментальные углеродистые стали содержат 0,65…1,2 %углерода и отличаются высокой твердостью и прочностью. Эти стали содержат меньшее количество вредных примесей и они делятся на качественные и высококачественные. Марки качест-венной стали по ГОСТ 1435-99 следующие: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12

Диаграмма состояния системы железо – цементит. Принцип построения. Компоненты и фазы системы , страница 2

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом. Цементит имеет второе название – карбид железа. Формула цементита Fe3C. Цементит имеет сложную кристаллическую решетку.

Содержание углерода в цементите:

не изменяется при изменении температуры.

Область цементита очень узкая. На диаграмме состояния системы она изображается правой вертикальной осью, соответствующей формуле Fe3C (6,67 % С).

Точка D – точка кристаллизации цементита при охлаждении или плавления его при нагреве.

Однофазные области отделены друг от друга двухфазными областями, в которых осуществляется превращение одной фазы в другую.

Двухфазные области ограничены линиями, которые соответствуют началу и концу этого превращения.

Однофазные области: жидкость и аустенит отделены друг от друга двухфазной областью EJBC:

линия BC – начало выделения аустенита из жидкого сплава;

линия JE – конец выделения аустенита из жидкого сплава;

Выше линии BC существует только жидкий сплав. При охлаждении до температур, соответствующих линии ВС, из жидкого сплава начинает выделяться аустенит.

При дальнейшем охлаждении количество аустенита увеличивается, а количество жидкого сплава уменьшается, ниже линии JE – жидкой фазы нет, сплав состоит только из аустенита.

Однофазные области феррита и аустенита отделены друг от друга двухфазной областью HNJ:

линия HN – начало образования аустенита из феррита;

линия JN – конец образования аустенита из феррита.

Выше линии HN сплав состоит из феррита. При охлаждении до температур, соответствующих линии HN, из феррита образуется аустенит.

При дальнейшем охлаждении количество аустенита увеличивается, а феррита уменьшается; ниже линии JN сплав состоит только из аустенита.

Прямые горизонтальные линии на диаграмме соответствуют превращениям, происходящим при постоянной температуре, в которых одновременно участвуют три фазы:

линия HJB – перитектическое превращение;

При температуре, соответствующей линии HJB, происходит реакция между жидкой фазой и ранее выделившимся ферритом, в результате этой реакции образуется аустенит;

линия ECF – эвтектическое превращение;

При температуре, соответствующей линии ECF, жидкий сплав кристаллизуется одновременно с образованием двух твердых фаз (аустенита и цементита). Аустенит и цементит, возникающие одновременно из жидкой фазы, образуют одну структурную составляющую, которая называется ледебурит;

Читайте так же:
Название мастерской по дереву

линия PSK – эвтектоидное превращение: аустенит распадается одновременно на две фазы – феррит и цементит.

Феррит и цементит, выделяющиеся из аустенита одновременно, образуют одну структурную составляющую, которая называется перлит.

Каждый предлагаемый вопрос имеет один возможный вариант ответа.

Отметьте свой выбор.

1. Диаграмма состояния системы железо-цементит показывает изменение фазовых составляющих сплавов в:

а) равновесном состоянии;

б) неравновесном состоянии;

в) равновесном и неравновесном состояниях.

2. Железо имеет кристаллическую решетку при нагреве до температуры 911 °С:

а) объемно-центрированную кубическую;

б) гранецентрированную кубическую;

3. На горизонтальной оси диаграммы состояния системы железо – цементит указывается:

б) концентрация компонента;

в) скорость охлаждения.

4. Сталь – это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода меньше:

Метастабильная диаграмма железо углерод

Чугуны. Диаграмма состояния железо – графит. Строение, свойства, классификация и маркировка серых чугунов

Классификация чугунов.

Чугун отличается от стали: по составу – более высокое содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам – более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;

серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет;

половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике.

Диаграмма состояния железо – графит.

В результате превращения углерод может не только химически взаимодействовать с железом, но и выделяться в элементарном состоянии в форме графита. Жидкая фаза, аустенит и феррит могут находиться в равновесии и с графитом.

Диаграмма состояния железо – графит показана штриховыми линиями на рис. 11.1. Линии диаграммы находятся выше линий диаграммы железо – цементит. Температуры эвтектического и эвтектоидного преврашений,соответственно, 1153 o С и 738 o С. Точки C, E, S – сдвинуты влево, и находятся при концентрации углерода 4,24, 2,11 и 0,7 %, соответственно.

Рис.11.1. Диаграмма состояния железо – углерод: сплошные линии – цементитная система; пунктирные – графитная

При высоких температурах цементит разлагается с выделением графита, поэтому диаграмма состояния железо – цементит является метастабильной, а диаграмма железо – графит – стабильной. Процесс образования графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией.

Процесс графитизации.

Графит – это полиморфная модификация углерода. Так как графит содержит 100% углерода, а цементит – 6,67 %, то жидкая фаза и аустенит по составу более близки к цементиту, чем к графиту. Следовательно, образование цементита из жидкой фазы и аустенита должно протекать легче, чем графита.

С другой стороны, при нагреве цементит разлагается на железо и углерод. Следовательно, графит является более стабильной фазой, чем цементит.

Возможны два пути образования графита в чугуне.

При благоприятных условиях (наличие в жидкой фазе готовых центров кристаллизации графита и очень медленное охлаждение) происходит непосредственное образование графита из жидкой фазы.

При разложении ранее образовавшегося цементита. При температурах выше 738 o С цементит разлагается на смесь аустенита и графита по схеме

При температурах ниже 738 o С разложение цементита осуществляется по схеме:

При малых скоростях охлаждение степень разложения цементита больше.

Графитизацию из жидкой фазы, а также от распада цементита первичного и цементита, входящего в состав эвтектики, называют первичной стадией графитизации.

Выделение вторичного графита из аустенита называют промежуточной стадией графитизации.

Образование эвтектоидного графита, а также графита, образовавшегося в результате цементита, входящего в состав перлита, называют вторичной стадией графитизации.

Структура чугунов зависит от степени графитизации, т.е. от того, сколько углерода находится в связанном состоянии.

Рис. 11.2. Схема образования структур при графитизации

Выдержка при температуре больше 738 o С приводит к графитизации избыточного нерастворившегося цементита. Если процесс завершить полностью, то при высокой температуре структура будет состоять из аустенита и графита, а после охлаждения – из перлита и графита.

При незавершенности процесса первичной графитизации, выше температуры 738 o С структура состоит из аустенита, графита и цементита, а ниже этой температуры – из перлита, графита и цементита.

При переходе через критическую точку превращения аустенита в перлит, и выдержке при температуре ниже критической приведет к распаду цементита, входящего в состав перлита (вторичная графитизация). Если процесс завершен полностью то структура состоит из феррита и графита, при незавершенности процесса – из перлита, феррита и графита.

Строение, свойства, классификация и маркировка серых чугунов.

Из рассмотрения структур чугунов можно заключить, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной или доэвтектоидной стали или технического железа. Отличаются от стали только наличием графитовых включений, определяющих специальные свойства чугунов.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый – с пластинчатым графитом; высокопрочный – с шаровидным графитом; ковкий – с хлопьевидным графитом.

Схемы микроструктур чугуна в зависимости от металлической основы и формы графитовых включений представлены на рис. 11.3

Рис. 11.3. Схемы микроструктур чугуна в зависимости от металлической основы и формы графитовых включений

Наиболее широкое распространение получили чугуны с содержанием углерода 2,4…3,8%. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства, следовательно, количество углерода не должно превышать 3,8 %. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не менее 2,4 %.

Влияние состава чугуна на процесс графитизации.

Углерод и кремний способствуют графитизации, марганец затрудняет графитизацию и способствует отбеливанию чугуна. Сера способствует отбеливанию чугуна и ухудшает литейные свойства, ее содержание ограничено – 0,08…0,12 %. Фосфор на процесс графитизации не влияет, но улучшает жидкотекучесть, Фосфор является в чугунах полезной примесью, его содержание – 0,3…0,8 %.

Влияние графита на механические свойства отливок.

Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение () дпя серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких – до 10 %, для высокопрочных – до 15%.

Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.

Положительные стороны наличия графита.

графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка;

чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, по сравнению со сталью, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения;

Читайте так же:
Средство для очистки алюминия

из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;

детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях);

чугун значительно дешевле стали;

производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой.

Серый чугун.

Структура не оказывает влияние на пластичность, она остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.

Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами.

В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412).

Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.

Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.

Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритвой структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.

Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении — блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на СЧ 15.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом.

Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293) могут иметь ферритную (ВЧ 35), феррито-перлитную (ВЧ45) и перлитную (ВЧ 80) металлическую основу. Получают эти чугуны из серых, в результате модифицирования магнием или церием (добавляется 0,03…0,07% от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита.

Чугуны с перлитной металлической основой имеют высокие показатели прочности при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов — обратное.

Высокопрочные чугуны обладают высоким пределом текучести,

что выше предела текучести стальных отливок. Также характерна достаточно высокая ударная вязкость и усталостная прочность,

при перлитной основе.

Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %.

Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью.

Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.

Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле.

Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на ВЧ 100.

Ковкий чугун.

Получают отжигом белого доэвтектического чугуна.

Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния.

Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.

Формирование окончательной структуры и свойств отливок происходит в процессе отжига, схема которого представлена на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Отжиг ковкого чугуна.

Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000С в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита: .

Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига).При медленном охлаждении в интервале 760…720 o С, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).

При относительно быстром охлаждении (режим б, рис. 11.3) вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун.

Структура чугуна, отожженного по режиму в, состоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун)

Отжиг является длительной 70…80 часов и дорогостоящей операцией. В последнее время, в результате усовершенствований, длительность сократилась до 40 часов.

Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной (КЧ 30 – 6) и четыре с перлитной (КЧ 65 – 3) основой (ГОСТ 1215).

По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.

Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.

Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Обозначаются индексом КЧ (высокопрочный чугун) и двумя числми, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на , а второе – относительное удлинение — КЧ 30 — 6.

Отбеленные и другие чугуны.

Отбеленные – отливки, поверхность которых состоит из белого чугуна, а внутри серый или высокопрочный чугун.

В составе чугуна 2,8…3,6 % углерода, и пониженное содержание кремния –0,5…0,8 %.

Имеют высокую поверхностную твердость (950…1000 НВ) и очень высокую износостойкость. Используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц.

Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Отливки из такого чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью.

Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны. Жаростойкость достигается легированием чугунов кремнием (5…6 %) и алюминием (1…2 %). Коррозионная стойкость увеличивается легированием хромом, никелем, кремнием.

Диаграмма железо-углерод

Обработанный чугун ( сталь и чугун ) всегда содержит определенное количество углерода , пропорция которого определяет свойства стали и чугуна. Железо-углерод — схема (ЭКД) является равновесной схемой , для двойной системы железо-углерод, из которого фазовый состав может быть считана в зависимости от содержания углерода и температуры .

Так называемые диаграммы преобразования время-температура используются, если представляет интерес развитие временной структуры с охлаждением с разными скоростями .

Углерод является наиболее важным легирующим компонентом стали, так как даже самые незначительные изменения в содержании углерода имеют большое влияние на свойства материала. Однако информативная ценность диаграммы железо-углерод тем меньше, чем быстрее она охлаждается или нагревается, или чем выше содержание других легирующих элементов. EKD представлен в двух формах: метастабильная система (Fe-Fe 3 C), в которой углерод находится в связанной форме, и стабильная система (Fe-C) с элементарным углеродом в форме графита . Обе системы обычно показаны на схеме и отмечены соответствующим образом. Однако на практике в основном используется метастабильная система Fe-Fe 3 C.

Читайте так же:
Паяльник из прикуривателя с регулировкой

оглавление

Изображение фаз на диаграмме железо-углерод

Массовая доля углерода нанесена на оси х и с температурой на оси у . Диаграмма показывает только технически интересное содержание углерода от 0 до 6,67%. Последнее соответствует цементиту содержания 100%.

Линии представляют собой контрольные точки или контрольные точки, смещенные в сторону других температур, и отделяют отдельные фазовые поля друг от друга. Значимые точки отмечены буквами. В некоторых представлениях точка I упоминается как точка J.

Линия ABCD представляет собой линию ликвидуса , над ней находится жидкий сплав, линия AHJECF соответствует линии солидуса, ниже которой сплав полностью затвердел . В температурном интервале между температурой ликвидуса и солидуса сплав имеет консистенцию пульпы и состоит из остаточного расплава, δ-железа, γ-железа и цементита (Fe 3 C) в различных концентрациях и пропорциях. Если при охлаждении сплава она опускается ниже линии ликвидуса, начинается первичная кристаллизация из расплава .

Из-за различных аллотропных модификаций железа в зависимости от содержания углерода образуются разные фазы. Железо образует различные смешанные кристаллы интеркаляции ( смешанные δ-, γ- и α- кристаллы ) с различной растворимостью углерода. Причины различной растворимости отдельных смешанных кристаллов — это разные пространственные решетки и постоянные решетки . Металлографические названия смешанных кристаллов: δ- феррит для δ-смешанных кристаллов, аустенит для γ-смешанных кристаллов и феррит для α-смешанных кристаллов.

Грубое подразделение

  • Расплав относится к жидкому железоуглеродистому сплаву. Выше линии ликвидуса весь сплав присутствует в виде расплава, между линией ликвидуса и солидуса в виде смешанного кристаллического компонента с расплавом и ниже линии солидуса в виде смешанных кристаллов.
  • δ- феррит (дельта-феррит): объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура
  • Аустенит (γ-смешанные кристаллы): гранецентрированная кубическая кристаллическая структура
  • α-Феррит (Альфа-Феррит): объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура
  • Графит (стабильная система) или цементит (Fe 3 C; метастабильная система)

Когда перлит и ледебурит — это не фазы, а особые смеси фаз ( структура ). Они возникают только в стабильной или метастабильной системе, т.е. при медленном остывании. С другой стороны, при быстром охлаждении (например, закалке в воде) аустенит становится мартенситом . Мартенсит — это твердая и хрупкая структура. В метастабильной системе есть следующие характерные точки, линии и явления:

  • Точки
    • A: (0% / 1536 ° C) B: (0,53% / 1493 ° C) C: (4,3% / 1147 ° C) D: (6,67% / 1320 ° C) E: (2-й, 06% / 1147 ° C)
    • F: (6,67% / 1147 ° C) G: (0% / 911 ° C) H: (0,1% / 1493 ° C) J: (0,16% / 1493 ° C) K: (6, 67% / 723 ° C)
    • N: (0% / 1392 ° C) P: (0,022% / 723 ° C) S: (0,8% / 723 ° C) Q: (0,002% / 20 ° C) M: (0% / 769 ° C)
    • S ‘: (0,69% / 738 ° C) E’: (2,03% / 1153 ° C) C ‘: (4,25% / 1153 ° C)
    • Ликвидус : ABCD солидус : AHJECF
    • Eutecticals : ECF Eutectoids : PSK Peritecticals : HJB
    • Эвтектика : 4,3% при 1147 ° C (точка C)
    • Эвтектоид : 0,8% при 723 ° C (точка S)
    • Перитектика : 0,16% при 1493 ° C (точка J)

    Металлографическое обозначение

    Металлографические названия смешанных кристаллов: δ-феррит для δ-смешанных кристаллов, аустенит для γ-смешанных кристаллов и феррит для α-смешанных кристаллов.

    описаниеМаксимальное содержание CМеталлографическое обозначение
    δ смешанный кристалл0,10% при 1493 ° Cδ феррит
    γ смешанный кристалл2,06% при 1147 ° CАустенит
    α смешанный кристалл0,02% при 723 ° Cферрит

    Соединение железо-углерод Fe 3 C или цементит также является фазой, но ее не следует путать со смешанными кристаллами железа, это интерметаллическая / промежуточная фаза. Цементит встречается в трех разных формах, при этом химический состав цементита всегда один и тот же:

    описаниеВозникновение
    Первичный цементитпервичная кристаллизация из расплава (линия CD)
    Вторичный цементитОсаждение аустенита (линия ES)
    Третичный цементитОсаждение из феррита (линия PQ)

    Помимо чистых фаз встречаются также фазовые смеси:

    описаниеСостоит изЦарство существования
    Перлит88% феррита и 12% цементитаОт 0,02% до 6,67% при T≤723 ° C
    Ледебурит I51,4% аустенита и 48,6% цементитаОт 2,06% до 6,67% при 723 ° C ≤ T ≤ 1147 ° C
    Ледебурит II51,4% перлита и 48,6% цементитаОт 2,06% до 6,67% при T ≤723 ° C

    Изотермические реакции

    Диаграмма железо-углерод показывает три изотермических реакции: одну перитектическую (линия HIB), одну эвтектическую (линия ECF) и одну эвтектоидную (линия PSK). Точка H: максимальная растворимость углерода в δ-феррите. Точка J: перитектика δ + S → γ.

    Когда сталь нагревается или охлаждается, на некоторых линиях создаются контрольные точки , отмечающие отдельные преобразования. Наиболее важные из них:

    • Линия 1 — ПСК, при 723 ° С аустенит распадается на перлит, при содержании углерода> 0,02%
    • 2 — линия МО, означает потерю ферромагнетизма феррита при нагревании выше 769 ° C ( точки Кюри ).
    • 3 — линия ГОС, если эта линия не достигается во время охлаждения, с низким содержанием углерода альфа-смешанные кристаллы (феррита) формы, освобожденный углерод накапливается в аустените , пока он не достигнет эвтектоидной концентрации при температуре 723 ° С

    Линия ECF называется эвтектической линией или также эвтектической, потому что именно здесь возникает эвтектика. Если расплав имеет эвтектическую концентрацию 4,3% C, он изотермически превращается при 1147 ° C (точка C) в смешанную структуру аустенита и цементита, так называемый ледебурит.

    Линия HJB называется перитектической линией или перитектической, здесь δ-смешанные кристаллы с 0,1% C и остаточный расплав с 0,51% C оседают изотермически при 1493 ° C до γ-смешанных кристаллов с 0,16% C (точка I).

    использовать

    С помощью диаграммы железо-углерод, например, можно ответить на несколько вопросов о различном поведении стали (сплав ковкого железа, обычно с содержанием C <2,06%) и чугуна (сплав нелегального железа, обычно с содержанием C> 2,06%). можно объяснить:

    • Сталь поддается ковке, поскольку ее легко деформировать в широком диапазоне однородного аустенита. Такого поведения не наблюдается с чугуном, поскольку большие доли углерода в форме графита или ледебурита затрудняют деформацию и переход в расплав резкий.
    • Температура плавления чистого железа составляет 1536 ° C , также можно считывать температуры полного затвердевания (или начала плавления) стали (линия AHIE) и чугуна (линия ECF при 1147 ° C). Более низкая температура плавления чугуна — одна из причин, по которой его легче и лучше лить, чем сталь.

    Графическое представление этих свойств как функции содержания углерода делает диаграмму железо-углерод важным инструментом для оценки и понимания различных сплавов железа, которые составляют одну из наиболее часто используемых групп материалов.

    голоса
    Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector