 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Диаграмма состояния железо-углерод
Наличие двух высокоуглеродистых фаз (графита и цементита) приводит к появлению двух диаграмм состояния: метастабильной − железо-цементит и стабильной − железо-графит. Свободная энергия цементита всегда больше, чем свободная энергия графита.
Кристаллические структуры цементита и аустенита близки, тогда как кристаллические структуры аустенита и графита существенно различаются. По составу аустенит и цементит ближе друг к другу и составу жидкой фазы, чем аустенит и графит (аустенит содержит до 2,14 % С, цементит − 6,67 % С, жидкая фаза − от 2,14 до 6,67 % С, графит – 100 % C). Поэтому образование цементита из жидкости или из аустенита происходит легче, работа образования зародыша, как и необходимые диффузионные изменения, меньше в случае кристаллизации цементита, чем при кристаллизации графита, несмотря на меньший выигрыш свободной энергии.
Диаграмма состояния железо-цементит приведена на рис.4.1.
Линии диаграммы:
АВСВD (линия ликвидус − место точек начала кристаллизации) и AHJECF (линия солидус − место точек конца кристаллизации) характеризуют начало и конец первичной кристаллизации, происходящей при затвердевании жидкой фазы.
Рис.4.1 Диаграмма состояния железо-цементит
Линии ES и PQ показывают предельную растворимость углерода, соответственно, в аустените и феррите. При понижении температуры растворимость уменьшается и избыток углерода выделяется в виде цементита. Цементит, выделяющийся из жидкого сплава, принято называть первичным, из аустенита − вторичным, из феррита − третичным.
Три горизонтальные линии HJB, ECF и РSК указывают на протекание трех превращений при постоянной температуре:
− при 1499 °С (HJB) происходит перитектическая реакция ЖB +ФН → AJ, в результате которой образуется аустенит;
− при 1147 °С (ECF) протекает эвтектическая реакция ЖC → АE + Ц (жидкость, состав которой соответствует точке С, превращается в эвтектическую смесь аустенита, состав которого соответствует точке Е, и цементита, называемую ледебуритом);
− при 727 °С (PSK) протекает эвтектоидная реакция A → ФР + Ц (в отличие от эвтектики, образующейся из жидкости, эвтектоид возникает из твердых фаз). Продукт превращения − эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом.
Перлит чаще имеет пластинчатое строение, т. е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. После специальной термической обработки перлит может иметь зернистое строение.
Однофазные области диаграммы Fe-Fe3C:
− жидкий расплав (Ж) − выше линии АВСD;
− феррит (Ф) – области ANH и GPQ;
− аустенит (А) − область JESGN.
Двухфазные области диаграммы:
− AHB − в равновесии находится жидкий расплав и кристаллы δ- феррита;
− NHJ − в равновесии кристаллы δ- феррита и аустенита;
− JECB − в равновесии жидкий расплав и кристаллы аустенита;
− CDF − в равновесии жидкий расплав и кристаллы цементита;
− SECFK − в равновесии кристаллы аустенита и цементита;
− GSP − в равновесии кристаллы аустенита и α -феррита;
− QPSKL − в равновесии кристаллы феррита и цементита.
Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С, называют техническим железом.
Сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 до 2,14 % С носят название сталей (от 0,02 до 0,8 % С − доэвтектоидные стали, от 0,8 до 2,14 % С − заэвтектоидные стали).
Сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14 до 6,67 %С называются чугунами (от 2,14 до 4,3 % С – доэвтектические чугуны, от 4,3 до 6,67 % С − заэвтектические чугуны).
В двухфазных областях в любой точке можно определить количество фаз и их концентрацию, используя правило отрезков. Например, определим химический состав и количество фаз для сплава системы железо-цементит в точке а, находящейся в области GSP (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Использование правила отрезков для анализа диаграммы
В этой области структурные составляющие феррит и аустенит. Проведем горизонтальную линию через точку а до пересечения с линиями GP (точка b) и GS (точка с). Проекция точки b (b') указывает химический состав феррита, а проекция точки с (с') – состав аустенита.
Массовое содержание: аустенита mA = ba/bc * 100%,
феррита mQ = ac/bc * 100%.
Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих различное количество углерода. При анализе кристаллизации доэвтектоидной стали проведем для примера расчет числа степеней свободы по формуле:
с = k – f + 1, (4.1)
где с – число степеней свободы;
k – количество компонентов;
f – число фаз.
Кристаллизация доэвтектоидной стали, содержащей более 0,51 % С (рис. 4.3), начинается в точке 1, где в жидкой фазе зарождаются первые зерна аустенита, и заканчивается в точке 2. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус BС, а аустенита − по линии солидус JE.
Между точками 1 и 2 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – жидкость и аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита.
Между точками 2 и 3 идет охлаждение аустенита, и число степеней свободы с = 2 – 1 + 1 = 2 (два компонента – железо и углерод, одна фаза – аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры.
Между точками 3 и 4 происходит превращение аустенита − выделяя низкоуглеродистый феррит, аустенит обогащается углеродом в соответствии с линией GS и в точке 4 концентрация углерода в нем достигает эвтектоидной − 0,8% С, и число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – аустенит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры.
При постоянной температуре 727 °С (площадка 4 - 4') происходит эвтектоидное превращение аустенита в мелкодисперсную механическую смесь феррита и цементита, называемую перлитом (A → ФР + Ц). В точке 4 число степеней свободы с = 2 – 3 + 1 = 0 (два компонента – железо и углерод, три фазы – аустенит, феррит и цементит), что подтверждает выделение перлита при постоянной температуре.
При дальнейшем охлаждении до точки 5 происходит выделение из феррита избыточного углерода (в связи с понижением растворимости по линии диаграммы PQ) в виде третичного цементита. Между точками 4' и 5 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – феррит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. Конечная структура Ф + П + ЦIII (феррито-перлитная).
Количественное соотношение между ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода (чем выше содержание углерода, тем больше перлита).
Кристаллизация зазвтектоидных сталей (рис. 4.4) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава аустенита и заканчивается в точке 2. Состав жидкого расплава изменяется по линии BС, а аустенита − по линии JE. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита.
Рис.4.3. Процесс кристаллизации Рис.4.4. Процесс кристаллизации
доэвтектоидных сталей зазвтектоидных сталей
При дальнейшем охлаждении от точки 2 до точки 3 структурных превращений сталь не претерпевает, идет простое охлаждение. В интервале точек 3 - 4 происходит выделение вторичного цементита в связи с уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. При медленном охлаждении цементит выделяется по границе аустенитных зерен. Состав аустенита изменяется согласно линии ES и в точке 4 при температуре 727 °С аустенит содержит 0,8% С.
На линии SK (на кривой − площадка 4 - 4') происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит.
При дальнейшем охлаждении ниже точки 4' из феррита, входящего в перлит, выделяется третичный цементит. Третичный цементит, наслаиваясь на кристаллы вторичного цементита и цементита перлита, не оказывает заметное влияние на свойства. Поэтому при рассмотрении структур заэвтектоидных сталей о третичном цементите обычно не упоминают. Конечная структура П + ЦII + ЦIII (перлито-цементитная).
Кристаллизация доэвтектических чугунов (рис. 4.5) начинается в точке 1, где при последующем охлаждении происходит выделение из жидкой фазы кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которого определяется линией JE, а жидкого расплава − линией ликвидус BС. В точке 2 содержание углерода в расплаве достигает 4,3 % и при постоянной температуре 1147 °С оставшийся расплав кристаллизуется в эвтектику (дисперсную смесь аустенита, содержащего 2,14 % С, и цементита), называемая ледебуритом LC → АE + Ц. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение.
При дальнейшем охлаждении (участок 2 - 3) аналогично заэвтектоидной стали из аустенита (структурно свободного и входящего в состав ледебурита) выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита. Аустенит при этом обедняется углеродом и при температуре 727 °С приобретает состав, соответствующий эвтектоидному.
В точке 3 начинается эвтектоидное превращение аустенита в перлит при постоянной температуре 727 °С (площадка 3 - 3'). Перлит образуется из структурно свободного аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита. Ледебурит, состоящий из смеси цементита и перлита, носит название видоизмененного ледебурита Лвид (П + Ц) в отличие от ледебурита состава Л (А + Ц).
При дальнейшем охлаждении от точки 3' до точки 4 происходит выделение избыточного углерода из феррита, входящего в перлит и видоизмененный ледебурит, в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита и ледебурита. Третичный цементит не влияет на свойства чугунов из-за незначительного количества, по сравнению с общим количеством цементита в чугунах. Конечный состав доэвтектического чугуна П + Лвид + ЦII (перлито-ледебурито-цементитная).
Кристаллизация заэвтектических чугунов (рис. 4.6) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава первичного цементита. При этом состав расплава изменяется по линии DC. Выделяя высокоуглеродистую фазу − цементит, расплав обедняется углеродом и при температуре 1147 °С содержит 4,3 % С. При постоянной температуре расплав кристаллизуется с образованием ледебурита.
Рис.4.5. Процесс кристаллизации Рис. 4.6. Процесс кристаллизации
доэвтектических чугунов заэвтектических чугунов
При дальнейшем охлаждении (площадка 2 - 3) из аустенита, входящего в ледебурит, выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита, и состав аустенита изменяется по линии ES.
При достижении температуры 727°С аустенит (площадка 3 - 3'), содержащий 0,8 % С, превращается в перлит A → ФР + Ц и образуется видоизмененный ледебурит.
При дальнейшем охлаждении от точки 3' до точки 4 из феррита, входящего в состав перлита видоизмененного ледебурита, выделяется избыточный углерод согласно кривой РQ в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита. Конечная структура заэвтектического чугуна Лвид + ЦI + ЦII ( ледебуритно-цементитная).
Таким образом, у всех сталей, содержащих менее 2,14 % С, в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита, а после затвердевания не содержится хрупкой структурной составляющей − ледебурита; у всех чугунов, содержащих более 2,14 % С, структура первичной кристаллизации состоит из ледебурита с первичным аустенитом или цементитом, а при комнатной температуре структура состоит из видоизмененного ледебурита, цементита и, у доэвтектического чугуна, перлита.
Стали при высоком нагреве имеют аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью, поэтому они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах.
Чугуны обладают лучшими литейными свойствами, в том числе более низкой температурой плавления и имеют меньшую усадку.
Поиск по сайту: