Стали и белые чугуны

Эта диаграмма изображается сплошными линиями и характеризует состояния железоуглеродистых сплавов - сталей и белых чугунов с концентрацией углерода от 0 до 6,67%. Концентрация 6,67% С соответствует содержанию углерода в карбиде железа Fe₃C.

Система железо — цементит не является полностью стабильной, так как карбид железа Fe₃С при определенных условиях нагрева неустойчив и распадается с образованием свободного углерода - графита. Следовательно, система железо -цементит, в которой возможен необратимый распад цементита, является метастабильной. Превращения, совершающиеся в равновесной (стабильной) системе, всегда полностью обратимы. Если при нагреве цементит диссоциирует на железо и графит, то при охлаждении превращение должно совершаться в обратном направлении, что в действительности не происходит.

Основные точки диаграммы состояния железо - цементит обозначены латинскими буквами, общепринятыми в международной практике.

Фазы в системе Fe -Fe₃С.

Согласно диаграмме состояния Fe – Fе₃С в железоуглеродистых сплавах образуются следующие фазы: жидкий раствор (расплав) углерода в железе (ж, с.), феррит, аустенит, цементит.

Феррит - твердый раствор углерода в α-железе. Кристаллическая решетка феррита – объемно-центрированный куб. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит в соответствии с существованием иизкотемпературной (Fe_α) и высокотемпературной - (Fe_δ) модификаций железа с оцк решеткой.

Феррит представляет собой твердый раствор внедрения. Атомы углерода располагаются в кристаллической решетке Fe_α между атомами железа в межатомных порах решетки. Из-за малых размеров этих пор в оцк решетке значительная часть атомов углерода располагается на дефектах решетки (вакансиях, дислокациях). Этим объясняется малая растворимость углерода в Feα. Максимальная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет 0,025% при 727ºС, а в высокотемпературном феррите 0,1% при 1499ºС. Растворимость углерода в феррите изменяется, после охлаждения до комнатной температуры она становится равной 0,006% С.

Феррит мягок и пластичен, он имеет следующие механические свойства: σ_в = 450 МПа; σ_т = 120 МПа, δ = 50 %; ψ = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м²; НВ 80.

Так же как и Fe_α, феррит магнитен до 768ºС.

Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных зерен. Обозначают феррит буквами Ф или α.

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в γ -железе Кристаллическая решетка аустенита - гранецентрированный куб.

Размер межатомных пор, в которых могут разместиться атомы углерода в решетке гцк, почти в два раза больше, чем в оцк решетке. Поэтому растворимость углерода в Fe_γ больше, чем в Fe_α.. Максимальная концентрация углерода в аустените достигает 2,14 % при 1147ºС и 0,8 % при 727ºС.

Аустенит, так же как Fе_γ, немагнитен, обладает меньшим удельным объемом, чем феррит. Аустенит пластичен (δ = 40 - 50 %), имеет твердость НВ 160 - 200. Обозначают аустенит А или γ.

Цементит — химическое соединение железа с углеродом - карбид железа Fe₃С, содержит 6,67% С. Цементит имеет сложную кристаллическую решетку. Особенностью цементита является его исключительно высокая твердость (НУ 1000, цементит легко царапает стекло) и хрупкость. Температура плавления цементита точно не установлена, так как при температурах ниже температуры плавления цементит распадается на железо и графит. Условно температуру плавления цементита принимают около 1500ºС. Обозначают цементит Ц или Fe₃С.

Характеристика отдельных точек и линий диаграммы состояния Fe–Fe₃С.

На диаграмме состояния Fe – Fе₃С точка А (1539ºС) соответствует температуре плавления чистого железа, точка D (1500ºС) - температуре плавления цементита. Точка N(1392ºС) отвечает температуре полиморфного превращения Fe_δ →Fe_γ, точка G (911ºС) температуре полиморфного превращения Fe_γ→Fe_α.

Анализ диаграммы состояния Fe – Fe₃С показывает, что отдельные ее части сходны с некоторыми простыми диаграммами.

Верхний левый угол диаграммы состояния Fe - Fe₃С соответствует диаграмме перитектического типа. Здесь линии АВ-ликвидус и АН-солидуспоказывают температуры начала и конца кристаллизации жидких сплавов с образованием высокотемпературного феррита. При температуре, отвечающей линии HJВ, протекает перитектическое превращение.

Правая верхняя часть диаграммы состояния Fe – Ее₃С.является разновидностью диаграммы состояния эвтектического типа. Линии ВС(ликвидус) и JE(солидус) указывают температуры начала и конца кристаллизации жидких сплавов соответствующего состава с образованием кристаллов аустенита. Линия CDотвечает температурам начала кристаллизации жидких сплавов с образованием кристаллов цементита. Линия ECF — эвтектическая горизонталь, при этой температуре протекает эвтектическое превращение в сплавах.

В нижней части диаграммы состояния Fe — Ее₃С имеется эвтектоидное превращение при температуре, соответствующей эвтектоидной горизонтали PSK.

Линии NHи NJотвечают температурам начала и конца полиморфного превращения высокотемпературного феррита в аустенит при охлаждении и аустенита в феррит при нагревании сплавов. Линии GSи GPсоответствуют температурам начала и конца полиморфного превращения аустенита в феррит при охлаждении и феррита в аустенит при нагревании сплавов. Линия SE — линия предельной растворимости углерода в γ-железе (определяет предельную концентрацию углерода в аустените). Линия PQ — линия предельной растворимости углерода в α-железе.

Температуры наиболее важных превращений в железоуглеродистых сплавах или критические точки обозначают буквой А с соответствующими индексами. Ниже приводятся обозначения линий диаграммы и соответствующих им критических точек.

При нагреве и охлаждении в реальных условиях критические точки не полностью совпадают с соответствующими равновесными линиями диаграммы. При нагреве они несколько выше, а при охлаждении - ниже этих линий. Поэтому введены дополнительные обозначения критических точек, которыми пользуются при термической обработке. Для обозначения критических точек при нагреве добавляют букву с, а при охлаждении — букву r, например, Аc_1, Ас_3, А с₄,— нагрев, Ar_1, Ar₃,Ar₄ — охлаждение.

Линия МО показывает температуру превращения. феррита из магнитного в немагнитное состояние (768ºС). Это превращение не связано с фазовой перекристаллизацией и не относится к разряду фазовых превращений. Температура магнитного превращения обозначается точкой А₂.

Контрольные вопросы:

1. Основные фазы железо-углеродистых сплавов.

2. Что такое феррит. Свойства феррита?

3. Что такое критические точки стали?

Поиск по сайту: