Диаграмма сталь 40 цементит

Обновлено: 01.05.2024

В диаграмме состояния железо – цементит (Fe-Fe3C) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их структурах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной температуры. Диаграмма (рис.18) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% - чугуном.
Диаграмма состояния Fe-Fe3C представлена в упрощенном виде. Первичная кристаллизация, т. е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539° плавления (затвердевания) железа, точка D – температуре ~1600°С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса AECF соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD - цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147°С и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику - ледебурит. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14-4,3% С - аустенита, а в интервале 4,3-6,67% С - цементита первичного (см. рис. 18).
В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14%, т. е. в сталях, образуется однофазная структура - аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т. е. в чугунах, при первич ной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Рис. 18. Диаграмма состояния железо-цементит (в упрощенном виде):
А – аустенит, П – перлит, Л – ледебурит, Ф – феррит, Ц - цементит

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и GPQ. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую (γ в α) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита.
В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линий GS, и цементита, называемого вторичным, при температурах, соответствующих линии SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделяющегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до температур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре.
В точке S при содержании 0,8% углерода и температуре 727°С весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита - перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной (рис. 19,6). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода, называют доэвтектоидными (рис. 19, а ) , а от 0,8 до 2,14% углерода - заэвтектоидными (рис. 19, в).
При температурах, соответствующих линии PSK, происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения.
При температурах, соответствующих линии SE, аустенит насыщен углеродом, и при понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного).
Вертикаль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химический состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что существенно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристаллизации из жидкости.
Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 20). Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода - заэвтектическими.
По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит+цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем меньше в нем перлита и больше ледебурита.
Белый эвтектический чугун (4,3% углерода) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, содержащий более 4,3% углерода, после окончательного охлаждения состоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит превращается в перлит, т. е. ледебурит при комнатной температуре представляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости.
Диаграмма состояния железо-цементит имеет большое практическое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов термической обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, чтo необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.

Углеродистые стали.

В основу классификации положено содержание в стали серы и фосфора, т. е. вредных примесей. Качество стали тем выше, чем меньше в ней серы и фосфора. По качеству можно выделить следующие основные группы сталей:

• стали обыкновенного качества, содержащие до 0,06% серы и 0,07% фосфора;

• качественные стали, содержащие до 0,04% серы и 0,035% фосфора;

• высококачественные стали, содержащие до 0,025% серы и 0,025% фосфора, выплавляемые в электропечах. Сера в таких количествах растворяется в железе, поэтому сульфиды не образуются, следовательно, высококачественные стали не подвержены красноломкости;

• особовысококачественные стали получают путем применения специальных металлургических технологий: электрошлакового переплава (ЭШП) — переплав стали под слоем специального шлака позволяет снизить содержание серы до 0,002… 0,008%; вакуум нодуговой переплав (ВДП) почти полностью выводит из стали газы.

Маркировка углеродистых сталей.Углеродистые стали выпускают обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Легированные стали — качественные, высококачественные и особовысококачественные.

Стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрой, указывающей порядковый номер стали: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб. С увеличением номера повышаются содержание углерода и прочностные свойства, но снижается пластичность. Так, в зависимости от марки (номера) содержание углерода в сталях увеличивается от 0,06 до 0,43%, возрастают предел прочности ав от 300 до 600 МПа и предел текучести а0,2 от 150 до 300 МПа, а относительное удлинение 8 снижается от 32 до 14%. Стали обыкновенного качества используют в основном как строительн ы е. Их не подвергают термической обработке.

Качественные углеродистые стали являются машиностроительными, их применяют для изготовления деталей машин (конструкционные стали) или инструментов(инструментальные стали). Для обеспечения требуемых свойств они подвергаются термической обработке и поэтому поставляются с гарантированным химическим составом, который указывается в обозначении марки.

Конструкционные стали обозначаются цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. В машиностроении используются следующие марки сталей: 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70. Для каждой марки стали установлены пределы содержания углерода; например, сталь 20 содержит 0,18…0,22%, сталь 25 — 0,23…0,27%, сталь 40 — 0,37…0,42% и т.п. Цифры, обозначающие марку стали, получаются округлением концентрации углерода до ближайшего числа, кратного пяти.

Инструментальные углеродистые стали содержат от 0,7 до 1,3% С. Они обозначаются буквой У и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Так, содержание углерода в стали У7 — 0,7%, в стали У12 — 1,2%. Для инструментов применяются следующие стали: У7, У8, У9, У10, У11, У12 и У13.

Высококачественные стали (инструментальные углеродистые и легированные и конструкционные легированные) обозначают буквой А в конце марки сталей. Например, У8А, У10А, У12А.

Сталь 40 - Диаграмма состояния Fe – Fe3C и кривые охлаждения

Указанный сплав (Сталь 40) содержит 0,4 % углерода и отмечен вертикальной линией, которая имеет следующие характерные точки:

От температуры 1 до температуры 2 происходит охлаждение расплава. При температуре 2 из расплава начинает выделяться Феррит (Ф). В точке 3 происходит перитектическая реакция Жв + ФH →АJ, и до точки 4 сплав находится в состоянии двух фаз – А+Ж. В точказ от 4 до 5 сплав имеет однофазную Аустенитную (А) структуру. В точке 5 из Аустенита (А) начинает выделяться вторичный Феррит (Ф) и этот процесс продолжается до точки 6. В точке 6 происходит эвтектоидное превращение, при котором Аустенит распадается на Перлит (П) - механическую смесь Феррита и Цементита (А0,8% → П (Ф + ЦII), в результате при комнатной температуре сплав имеет структуру Перлита и избыточного Феррита. Согласно правилу фаз (C = K – Ф + 1, К – количество компонентов, Ф – количество фаз): Для точки 2: C2 = 2 – 2 + 1 = 1, т.е. температура может снижаться, но при появлении второй фазы будет выделяться скрытая теплота и скорость охлаждения будет снижаться. Для точки 3: C3 = 2 – 3 + 1 = 0. В точке перитектического превращения одновременно существует три фазы – расплав (Ж), Феррит (Ф) и Аустенит (А). Это означает, что до завершения превращения процесс будет протекать без изменения температуры. В зоне от 3 до 4 сплав состоит из двух фаз (С = 1), от 4 до 5 имеем однофазную зону (А), где правило фаз обычно не используется (C = 2 – 1 +1 = 2). Начиная с точки 5 из А-та выделяется Феррит (Ф) и согласно правилу фаз:
C = 2 – 2 + 1 = 1. Процесс выделения Ф-та продолжается до точки 6, в связи с выделением скрытой теплоты кристаллизации второй фазы скорость охлаждения замедлится. В точке 6 Аустенит обогатится углеродом до эвтектоидного состояния и произойдет превращение А0,8% → П (Ф + ЦII). Т.к. в равновесии будут находиться три фазы (C=0) и превращение протекает без изменения температуры. Ниже точки 6 сплав имеет двухфазную структуру, которая охлаждается без каких-либо изменений и без выделения скрытой теплоты. Выберем температуру (а) в двухфазной зоне (Ж + А) и посредством правила отрезков определим количество данных фаз и содержание в них углерода. Через точку (а) проведем горизонтальную линию до встречи с основными линиями диаграммы – точка (b)-линия солидуса и точка (c) – линия ликвидуса. Количество Аустенита (QA) определяется как отношение ac/bc*100: Количество расплава (Qж) определяется как отношение ba/bc*100: Сталь 40 имеет следующие структурные составляющие: - Аустенит (А) — это твердый раствор углерода в γ- железе. Максимальное содержание углерода в аустените составляет 2,14% (при температуре 1147°С) и 0,8 % при 727 0С. - Феррит (Ф) - твердый раствор углерода в α- железе. Максимальное содержание углерода в феррите составляет 0,02% при температуре 727°С. Твердый раствор углерода в высокотемпературной модификации (Feδ) называют δ- ферритом или ысокотемпературным ферритом. - Перлит (П) — это механическая смесь феррита с цементитом. Содержит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита.

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:

Техническое железо.
Стали.
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%.

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.

Матюхин В.И., Корытов М.С. Диаграмма состояния железо-цементит и структуры углеродистых сталей и чугунов - файл n1.doc

ББК 34.661
Рецензент канд. техн. наук, доц. Ю. И. Сердюк
Работа одобрена методической комиссией факультета АТ в качестве методических указаний к лабораторной работе по материаловедению для студентов специальностей 170900, 23100, 150200, 291100.

Диаграмма состояния железо – цементит и структуры углеродистых сталей и чугунов: Методические указания к лабораторной работе по материаловедению / Сост.: В. И. Матюхин, М. С. Корытов. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2002. – 13 с.

Рассмотрены структуры сталей и чугунов и их связь с диаграммой состояния железо – цементит. Показаны зависимости структур углеродистых материалов от их химического состава и температуры. Указаны области применения чугунов.

Ил. 8. Табл. 1. Библиогр.: 2 назв.
 Издательство СибАДИ, 2002

Введение
Методические указания разработаны в помощь студентам специальностей 150200, 170900, 23100, 291100 при выполнении ими лабораторной работы по материаловедению.

Цель лабораторной работы – изучить диаграмму состояния Fe – Fe₃C и структуры сталей и чугунов.

1. КРАТКИЕ сведения о ДИАГРАММЕ СОСТОЯНИЯ

ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ ( Fe – Fe₃C )
Диаграмма железо – цементит служит:

а) для определения структур сталей в равновесном состоянии в зависимости от содержания углерода и температуры;

б) определения температуры термической обработки стали;

в) определения температуры горячей обработки стали давлением;

г) определения растворимости углерода в аустените и феррите углеродистой стали;

д) определения концентраций и весового соотношения фаз в сталях и чугунах при различной температуре.

Диаграмма Fe – Fe₃C приведена на рис. 1.

Рис. 1. Диаграмма состояния Fe – Fe₃C

1.1. Характеристика структурных составляющих
Феррит – твердый раствор углерода в железе Fe_. Твердость феррита HB 600 (МПа). Растворимость углерода в феррите переменная.

Аустенит – твердый раствор углерода в железе Fe_. Твердость аустенита HB 2000 (МПа). Растворимость углерода в аустените переменная.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом. Твердость цементита HB 8000. 9000 (МПа). Цементит (Fe₃C) имеет постоянное количество углерода: 6,67 % С.

Перлит – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, которая образуется из твердого раствора аустенита. Он содержит постоянное количество углерода (0,8 % С) и имеет твердость HB 2200 (МПа).

Ледебурит – эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита при температуре выше 727 0 С или смесь перлита и цементита при температуре ниже 727 0 С. Ледебурит образуется из жидкого раствора, содержащего 4,3 % С. Имеет постоянное количество углерода (4,3 % С) и твердость по Бринеллю HB 6000. 7000 (МПа).

1.2. Превращения на линиях диаграммы Fe – Fe₃C
Превращения на линиях диаграммы определяют путем сравнения структур выше и ниже линии, если рассматривают процесс охлаждения. Например, что происходит на линии BC при охлаждении? Из диаграммы видно, что выше линии BC структура жидкая, а ниже линии – жидкость и аустенит. Следовательно, жидкость превращается в аустенит. Рассмотрим превращения на линии PS при охлаждении. Выше линии PS структура Ау + Ф, ниже линии PS структура П + Ф. Сравнивая эти структуры, делаем вывод: на линии PS при охлаждении аустенит превращается в перлит. Аналогичным образом определяются превращения на других линиях диаграммы состояния.

На линии CD: Ж Ц₁. На линии BE: Ж_ост Ау. На линии ECF: Ж_ост Л(Ау+Ц). На линии PSK: Ау П. На линии SE: Ау Ц₂. На линии PG: Ау Ф. На линии PQ: Ф Ц₃.

Ц₁, Ц₂, Ц₃ – цементит, который выделяется в различные температурные интервалы. Ж_ост – остаточная жидкость (жидкий раствор углерода в железе).
1.3. Структура и фаза
Структура – картина строения металла, наблюдаемая под микроскопом.

Обозначения структур приведены на диаграмме состояния Fe – Fe₃C. Например, сталь 40 при температуре 600 0 С имеет структуры П + Ф. Белый чугун, содержащий 4,3 % С, при 1000 0 С согласно диаграмме состояния имеет структуру ледебурит, состоящий из смеси аустенита и цементита.

Фаза – однородная часть структуры, имеющая границу раздела, при переходе через которую меняются химический состав и кристаллическая решетка.

Однородными частями структур (фазами) на диаграмме состояния Fe – Fe₃C являются жидкие и твердые растворы, химические соединения (Fe₃C). Перлит и ледебурит не могут быть фазами, так как они неоднородны. Фазы определяются из структуры. Примеры приведены в таблице.
Структуры и фазы

Структуры	Фазы
П (Ф + Ц)	Ф, Ц
П + Ц + Л (П + Ц)	Ф, Ц
Л (Ау + Ц)	Ау, Ц
Ау + Ф	Ау, Ф
Ж + Ц₁	Ж, Ц₁

1.4. Правило концентраций и отрезков
Для того, чтобы у сплава заданного состава (например, 5 % С) при заданной температуре (например, 800 0 С) определить концентрацию фаз и их весовое соотношение, необходимо через точку пересечения состава сплава и температуры (точка о на рис.1) провести горизонталь влево и вправо до ближайших линий фаз на диаграмме состояния. Точки пересечения укажут концентрацию фаз, а отрезки будут обратно пропорциональны весу фаз.

В точке о структура сплава (5 %С, t = 800 0 С) – ледебурит и цементит. Из структуры определяем фазы: аустенит и цементит. Для определения содержания углерода в фазе аустенита данного сплава через точку о проведем горизонталь влево до пересечения с линией SE фазы аустенита на диаграмме. Точка пересечения а укажет содержание углерода в аустените (0,9 % С). Для определения содержания углерода в цементите через точку о вправо проводим горизонталь до пересечения с линией цементита (DFK). Точка пересечения в укажет концентрацию углерода в цементите (6,67 % С).

Для определения весового соотношения фаз необходимо воспроизвести указанные отрезки (рис. 2).

Рис. 2. Отрезки для определения весовых долей фаз сплава
Соотношение величин отрезков будет обратно пропорционально соотношению весовых долей фаз. То есть, отрезок ов, прилегающий к фазе цементита, будет пропорционален весу аустенита. Отрезок ао будет пропорционален весу цементита.

Таким образом, вес аустенита P_Ау составляет 0,4 веса цементита P_Ц.

2. СТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ
Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий менее 2,14 % С. Структуры сталей в равновесном состоянии даны на рис. 3.

С 0,8 % С>0,8 %
Рис. 3. Структуры сталей в равновесном состоянии
Имея структуру углеродистой стали, можно определить содержание углерода в ней и марку стали. Содержание углерода в стали определяется по площади перлита (в феррите мало углерода и им можно пренебречь). Так, например, сталь на рис. 3 со структурой феррита и перлита содержит по площади 30 % П и 70 % Ф. Из пропорции

определяем содержание углерода в стали: X = 0,24 % С.

Такое количество углерода содержится в стали 25.

Чем больше углерода в стали (до 0,8 % С), тем больше в ней перлита, меньше феррита. Перлит тверже феррита. Поэтому с увеличением углерода в стали растет ее твердость, прочность, но падает пластичность, вязкость.

3. СТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ
Чугун – сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14 % С.

3.1. Белые чугуны
Называются так потому, что излом образца белый из-за повышенного количества в нем цементита. Структура представлена на диаграмме состояния Fe – Fe₃C и зависит от содержания углерода (рис. 4).

Рис. 4. Структуры белых чугунов: а) перлит + цементит + ледебурит;

б) ледебурит; в) ледебурит + цементит
Белые чугуны получают медленным охлаждением расплава (V_охл 0 С/мин). Они имеют высокую твердость и в то же время низкую прочность, пластичность, вязкость. Поэтому белые чугуны используются для получения стали, ковкого чугуна и как износостойкий материал.

3.2. Серые чугуны
Серые чугуны получили свое название из-за серого излома образца, вызванного наличием в сплаве графита. Их получают путем медленного охлаждения расплава (V_охл 0 С/мин). Чем больше углерода и кремния в чугуне, тем больше вероятность выделения из расплава графита. Маркируются серые чугуны: СЧ 15, СЧ 25, СЧ 40, СЧ 45. Цифры показывают предел прочности на растяжение в кгс/мм 2 . Структуры серых чугунов приведены на рис. 5.

Рис. 5. Структуры серых чугунов: а) феррит + графит;

б) феррит +перлит + графит; в) перлит + графит
Металлическая основа серых чугунов имеет структуру: а) феррит; б) феррит и перлит; в) перлит. Неметаллическая часть состоит из графита пластинчатой формы. Из всех видов графита пластинчатая его форма обладает максимальной концентрацией напряжений, что придает серому чугуну низкую прочность, пластичность, вязкость. Поэтому из серых чугунов отливаются детали, работающие на статическую нагрузку (крышки, фланцы, корпуса редукторов, тормозные барабаны, гильзы блока цилиндров, корпуса насосов и т. д.).

Снижая механические свойства серого чугуна, графит способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна. Пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность серого чугуна к дефектам поверхности, поэтому усталостная прочность чугунных деталей соизмерима со стальными.

3.3. Высокопрочные чугуны
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают, добавляя в расплав 0,02. 0,08 % Mg, а также FeSi (для выделения графита из расплава) с последующим медленным охлаждением. Маркируются высокопрочные чугуны: ВЧ 38, ВЧ 42, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 80, ВЧ 120. Цифры показывают предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм 2 . Структуры высокопрочных чугунов приведены на рис. 6.

Из всех форм графита шаровидная форма создает наименьшую концентрацию напряжений. Поэтому отливки из высокопрочных чугунов обладают более высокой прочностью и при этом некоторой пластичностью. Они способны воспринимать небольшие ударные и знакопеременные нагрузки (изготовляют прокатные валки, коленчатые валы, поршни и другие детали).

Рис. 6. Структуры высокопрочных чугунов: а) феррит + графит;

б) феррит +перлит + графит; в) перлит + графит

3.4. Ковкие чугуны
Ковкие чугуны не подвергаются ковке, это литейный материал. Слово «ковкий» подчеркивает повышенную пластичность и прочность ковких чугунов по сравнению с серыми чугунами. Этому способствует хлопьевидная форма графита, которая меньше влияет на механические свойства. Маркируются ковкие чугуны: КЧ 30-6, КЧ 37-12, КЧ 60-3, КЧ 80-1,5. Первая цифра показывает предел прочности материала в кгс/мм 2 , вторая – относительное удлинение в процентах. Структуры ковких чугунов приведены на рис. 7. Металлическая основа состоит: а) из феррита; б) феррита и перлита; в) перлита. Неметаллическая часть – графит хлопьевидной формы.

Рис. 7. Структуры ковких чугунов: а) феррит + графит;

б) феррит +перлит + графит; в) перлит + графит
Изделия из ковкого чугуна получают путем длительного отжига отливок из белого чугуна, содержащего 2,4. 2,9 % С, 1,0. 1,6 % Si, 0,2. 1 % Mn, по следующему режиму (рис. 8).

В точке 0 структура белого чугуна: перлит + ледебурит + цементит. При нагреве отливки из белого чугуна до температуры 950. 1000 0 С (точка 1) структура белого чугуна будет согласно диаграмме состояния Fe – Fe₃C: аустенит + ледебурит + цементит.

Рис.8. Схема получения ковкого чугуна
Цель длительной выдержки (10. 15 ч) при температуре 950. 1000 0 С – разложить свободный цементит и цементит ледебурита на железо (аустенит) и углерод в виде графита хлопьевидной формы (первая стадия графитизации). В точке 2 структура чугуна состоит из аустенита и графита. При охлаждении, переходя критическую температуру А₁, аустенит превращается в перлит, поэтому в точке 3 структура сплава: перлит + графит. Дальнейшее охлаждение сохранит данную структуру. Если охладить чугун до температуры 720. 740 0 С (точка 3) и сделать выдержку 25. 30 ч при этой температуре, то цементит перлита распадается на железо (феррит) и углерод в форме хлопьевидного графита (вторая стадия графитизации). В точке 4 структура чугуна будет состоять из феррита и графита. Дальнейшее охлаждение отливки сохранит эту структуру. Если выдержку при температуре 720. 740 0 С сделать менее 25. 30 ч, то часть перлита сохранится и в точке 5 отливка будет иметь структуру: перлит + феррит + графит. Дальнейшее охлаждение отливки не изменит структуру.

Хлопьевидная форма графита создает меньшую концентрацию напряжений по сравнению с пластинчатой формой, поэтому пластичность и прочность ковких чугунов выше, чем у серых чугунов. Из ковких чугунов отливают детали, воспринимающие ударные и знакопеременные нагрузки.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
4.1. Законспектировать теоретическую часть работы.

4.2. По указанию преподавателя для сталей 08, 10, 20, 30, 50, 70, 80, У10, У12 и белых чугунов, содержащих 2,5, 3,0, 4,3, 5 и 6 % С, определить превращения в сталях и чугунах при охлаждении из расплавленного состояния до комнатной температуры. Какая структура получается после охлаждения?

4.3. По указанию преподавателя для сталей 08, 30, 80, У10, У12 при температурах 20 и 60 0 С, а также для белых чугунов, содержащих 3,0, 3,5, 4,3, 5 и 6 % С, при температуре 800 0 С определить структуру, фазы, концентрацию фаз и их весовое соотношение.

4.4. Зарисовать структуры сталей (см. рис. 3).

4.5. Для сталей 10, 30, 50, 80 при температуре 20 0 С нарисовать (по указанию преподавателя) их структуры.

4.6. Зарисовать структуры чугунов (см. рис. 4, 5, 6, 7).

4.7. Для перлитного высокопрочного чугуна, содержащего 3,5 % С, определить, сколько углерода находится в связанном состоянии и сколько в свободном состоянии.

Библиографический список
1. Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

2. Материаловедение / Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ

И СТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ
Методические указания к лабораторной работе

Валентин Иванович Матюхин,

Михаил Сергеевич Корытов

Редактор Н. И. Косенкова

Лицензия ИД № 00064 от 16. 08. 99.

Подписано к печати 15.02.2002.

Формат 60 х 90 1/16. Бумага ксероксная.

Оперативный способ печати.

Усл. п. л. 0,75 , уч.-изд. л. 0,7.

Тираж 300 экз. Изд. № 2. Заказ

644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10
Отпечатано в ПЦ издательства СибАДИ

Диаграмма железо-углерод

Диаграмма железо-углерод – 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

Структуры на диаграмме железо-углерод

Напомним о 2 кристаллических формах железа:

Полиморфное превращение одной формы в другую при проведении термообработки сталей происходит при прохождении сплавами линии GSK.

Выделим 4 фазы в системе железо-углерод:

Жидкая фаза. Концентрация углерода не ограничена;
Феррит – это твёрдый раствор углерода в α-железе. Максимальная концентрация углерода – всего лишь 0,025% (точка P). При комнатной температуре – не выше 0,006%. Феррит мягок и пластичен.
Аустенит – твёрдый раствор углерода в γ-железе. Максимальная концентрация углерода — 2,14 % (точка E). Аустенит имеет невысокую твёрдость, пластичен, не магнитится.
Цементит — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа, Fe ₃ C). Концентрация углерода, соответственно, постоянная – 6,67 % углерода. Цементит очень твёрд, хрупок, непластичен.

В зависимости от условий образования выделяют:

первичный цементит (образуется из жидкости);
вторичный цементит (выделяется из аустенита вокруг его зерен);
третичный цементит (выделяется из феррита по границам его зерен);
эвтектоидный цементит (является составной частью перлита);
эвтектический цементит (является составной частью ледебурита).

Необходимо так же выделить 2 структурные составляющие железоуглеродистых сплавов:

Перлит (эвтектоид) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен феррита и цементита. Перлит образуется в результате перлитного превращения аустенита («свободного» или входящего в состав ледебурита) с концентрацией углерода 0,8% при прохождении ниже линии PSK:

Структура перлита. Ф — феррит, Ц — цементит

Железо при этом переходит из γ-формы в α-форму. Механические свойства сильно зависят от размера (дисперсности) частичек, из которых состоит данный перлит.

Ледебурит (эвтектика) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен аустенита и цементита. Ледебурит образуется из жидкой фазы с концентрацией углерода 4,3% при прохождении ниже линии ECF:

Структура ледебурита. Ц — цементит, А — аустенит.

Повторяясь, напомним, что при прохождении сплавов ниже линии PSK (727°С) аустенит, входящий в состав ледебурита, претерпевает перлитное превращение, разделяясь на феррит и цементит. Ледебурит тверд и хрупок.

При комнатной температуре железоуглеродистые сплавы могут иметь различную структуру, а значит и свойства, хотя и состоят всегда всего из 2 фаз: феррита и цементита.

Некоторые элементы диаграммы железо-углерод

Выделим несколько границ на диаграмме железо-углерод:

линия ACD. Линия ликвидус. При охлаждении сплавов ниже нее начинается их кристаллизация;
линия AECF. Линия солидус. При охлаждении сплавов ниже нее весь сплав переходит в твердое состояние;
линия ECF. Иногда называется линией ледебуритного превращения. При охлаждении сплавов с содержанием углерода выше 2,14% ниже нее жидкая фаза превращается в ледебурит;
линия PSK. Линия перлитного превращения. При охлаждении сплавов ниже нее аустенит превращается в перлит.

Отметим несколько важных точек на диаграмме:

точка E. Точка максимального насыщения аустенита углеродом – 2,14%, при температуре 1147°С;
точка P. Точка максимального насыщения феррита углеродом – 0,025%, при температуре 727°С;
точка S. Точка «0,8% С-727°С» превращения аустенита с концентрацией углерода 0,8% в перлит (эвтектоид) той же средней концентрации;
точка C. Точка «2,14 % С-1147°С» превращения жидкости с концентрацией углерода 2,14% в ледебурит (эвтектику) той же средней концентрации.

Часто значения температур, при которых происходят структурные изменения конкретного сплава обозначают буквами A:

Поскольку температуры фазовых переходов при нагреве и охлаждении слегка отличаются, то часто вводят дополнительные буквенные обозначения:

Чтение диаграммы железо-углерод

Состав сплава с данным исходным содержанием углерода при заданной температуре мы можем увидеть, двигаясь по вертикальной линии, соответствующей содержанию углерода в сплаве.

Рассмотрим, например, область AEC. С ней соседствуют области аустенита AESG и жидкой фазы. Сплавы в ней состоят из жидкой фазы и образующегося твердого аустенита. Как определить концентрацию углерода в разных фазах для данного сплава? Рассмотрим для примера сплав с исходной концентрацией углерода 2,5% при температуре 1250°С.

Проведем из этой точки графика «2,5% C – 1250°С» горизонтальную прямую. Пересечение этой прямой с линией AE, граничащей с областью аустенита, покажет концентрацию углерода в аустените при данной температуре (~1.5%).

Пересечение этой же горизонтальной прямой с линией AС, граничащей с областью жидкой фазы, покажет концентрацию углерода в жидкой фазе при данной температуре (~3.5%).

Именно таким образом мы можем определить концентрацию углерода в фазах любого сплава при заданной температуре:

в жидкой фазе и аустените в области AEC;
в жидкой фазе в области CDF (концентрация углерода в цементите, конечно, постоянна – 6,67%);
в аустените в области SEFK;
в феррите в области QPKL;
в феррите и аустените в области GPS.

Как видим, при концентрации углерода выше 2,14% насыщение охлаждаемого расплава углеродом всегда стремится к 4,3% (по линиям AC и DC) по мере приближения к температуре 1147°С (уровень ECF). Далее происходит превращение жидкости в ледебурит (эвтектику). Естественно, с этим же средним содержанием углерода.

По мере приближения к температуре 727°С (уровень PSK) концентрация углерода в аустените («свободном» и/или входящем в состав ледебурита) стремится к 0,8% (по линиям GS и ES). Далее происходит превращение аустенита в перлит (эвтектоид). Перлит, конечно, имеет среднее содержанием углерода 0,8%.

Классификация железоуглеродистых сплавов

Классификация железоуглеродистых сплавов в зависимости от концентрации углерода в сплаве:

Техническое железо выделяет то, что оно состоит исключительно из феррита. Который и определяет его свойства: мягкость, чрезвычайную пластичность и т.д.

Чугуны же выделяет наличие ледебурита, придающего им хрупкость. Поэтому чугуны не могут подвергаться ковке. Зато обладают лучшими литейными свойствами (чем стали), обусловленными наличием легкоплавкого ледебурита.

Термообработка сталей в ООО КВАДРО

Наше предприятие уже почти четверть века производит на заказ термообработку металлов в Санкт-Петербурге. Заказать термообработку у нас Вы можете, оставив Вашу заявку на электронной почте или позвонив нам.

Мы производим термообработку сталей (в т.ч. нержавеющих, инструментальных и т.п.) по чертежам Заказчика или заданным режимам , а так же иных металлов и сплавов (алюминиевых и титановых, латуней и бронз, и т.д.).

Основные виды термической обработки металлов, осуществляемые на нашем предприятии на заказ:

Напоминаем так же, что у нас вы можете воспользоваться широким спектром методов металлообработки, включая фрезерные работы и токарную обработку.

Читайте также: