Структурные составляющие железоуглеродистых сталей

Обновлено: 29.04.2024

три типа сплавов: твердый раствор, механическую смесь, химическое соединение. Если атомы входящие в состав сплава элементов незначительно отличаются строением и размером, они могут образовывать общую кристаллическую решетку, то такой сплав называется твердым раствором. Если каждый элемент сплава кристаллизуется самостоятельно, то это механическая смесь. Если элементы сплава химически взаимодействуют, образуя новое вещество, то такой сплав называют химическим соединением.

В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы могут содержать следующие фазы: аустенит, феррит, цементит и графит. Структурные составляющие них сплавах могут состоять из одних этих фаз, а также из их смесей (ледебурита — эвтектическая смесь аустенита и цементита; перлита — эвтектоидная смесь феррита и цементита).

Аустенит является твердым раствором углерода в γ-железе. Предельная концентрация углерода в аустените составляет 0% при 1145°. С понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается до 0,08%. Такую предельную концентрацию аустенит имеет при 723°. Эта температура является одновременно нижней границей существования устойчивого аустенита в углеродистых сталях. Сталь, имеющая структуру аустенита, немагнитна и обладает большой пластичностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. В α-железе при 700° растворяется до 0,02% углерода, феррит характеризуется незначительными величинами твердости и прочности и высокой пластичностью.Механические свойства феррита сильно зависят от величины зерна.

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fе3С. Цементит содержит около 6,67% И и рода, весьма тверд и хрупок. Твердость его приближается его к НВ — 800. Цементит — нестабильное (эндотермическое) соединение и может в определенных условиях разлагаться.

Перлитом называют механическую смесь феррита и цементита, образующуюся при эвтектоидном распаде медленно охлаждаемого аустенита. Концентрация углерода в перлите составляет 0,80%. Твердость перлита НВ 180 ÷ 220. Сталь, содержащая 0,80%С, имеет чисто перлитную структуру.

Ледебурит — это механическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава, содержащего 4,3%С. Так как при температуре 723° аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Таким образом, ниже 723° ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементитом, смесь перлита с цементитом.

Графит представляет собой свободный углерод, расположенный в основной массе металла в виде пластинок или зерен. Он образуется либо за счет распада цементита, либо выделяется н I пересыщенных жидких или твердых растворов.Кроме указанных структурных составляющих, в технических железоуглеродистых сплавах наблюдаются в небольшом количестве и другиефазы — сульфиды, фосфиды, окислы, нитриды и структурные составляющие на их основе (например, фосфидная ввтектика в чугуне).

80.Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов(рис. 5).
Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются следующие.

Феррит – твердый раствор углерода в α -Fe. При температуре 723° С предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует.

Цементит – карбид железа Fe3C – химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а также самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердые растворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается при термической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок.

Аустенит – твердый раствор углерода в γ –Fe. Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой температуре, а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах. Твердость аустенита НВ 170. 220.

Рис. 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов:

а – диаграмма; I – жидкий сплав; II – жилкий сплав и кристаллы аустенита; III – жидкий сплав и цементит; IV – аустенит; V – цементит и аустенит; VI – аустенит, цементит, ледебурит; VII – цементит и ледебурит;VIII – феррит и аустенит; IX – феррит и перлит; X – цементит и перлит; XI– перлит, цементит; ледебурит; XII – цементит, ледебурит; б – ориентировочные отношения структурные составляющих в различных областях диаграммы.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мn способствуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода. Твердость перлита НВ 160. 260. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой).

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок.

Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.

На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис 5) на оси ординат отложена температура, на оси абсцисс – содержание в сплавах углерода до 6,67 % т.е. до такого количества, при котором образуется химическое соединение Fe3C – цементит. Пунктирными линиями нанесена диаграмма состояния для системы железо – графит, так как возможен распад цементита Fe3С.

Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т. е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах. Критические точки для стали впервые открыл русский ученый-металлург Д.К. Чернов.

Линия ACD
– линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), линия AECF
– линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса). Только чистые металлы и эвтектика плавятся и затвердевают при постоянной температуре. Затвердевание всех остальных сплавов происходит постепенно, причем из жидкого сплава сначала выделяется избыточный по отношению к составу эвтектики компонент. Область AESG
на диаграмме соответствует аустениту. Линия GS
– начало выделения феррита, а линия SE
– вторичного цементита. Линия PSK
соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK
никаких изменений структуры не происходит.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы получают следующие названия:

» » » 0,83% – эвтектоидные стали

» » » 0,83. 2% – заэвтектоидные стали

» » » 2,0. 4,3% – доэвтектические чугуны

» » » 4,3.. .6,67% – заэвтектические чугуны

С увеличением содержания углерода в железоуглеродистых сплавах меняется и структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается количество феррита. Чем больше углерода в сплавах, тем выше твердость, прочность, но ниже их пластические свойства. Механические свойства сплавов зависят также от формы и размера частиц структурных составляющих. Твердость и прочность стали тем выше, чем тоньше и мельче частицы феррита и цементита.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

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

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

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

Рис. 6.3. Аустенит

Рис. 6.4. Феррит и аустенит

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

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

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

Рис. 6.5. Кристаллическое строение цементита

К двухфазным составляющим относят перлит и ледебурит.

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

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

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Fe_a. В низкотемпературной модификации Fe_a максимальная растворимость углерода равна 0,02% при температуре 727 °С (т. Р), в высокотемпературной модификации Fe_a- 0,1% при температуре 1499°С (т.Н). При комнатной температуре в феррите содержится «0,01% С. Характеризуется низкой прочностью (σв = 250 МПа) и твердостью 63 – 130 НВ, высокой пластичностью (относительное удлинение δ = 40 %). На диаграмме состояния феррит занимает область GPQ. Образуется из аустенита (см рис.3.2.).

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в F_Y с ГЦК решеткой. Максимальная растворимость равна 2,14% при температуре 1147 °С (т. Е), что практически на два порядка выше, чем в феррите. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ 160. 200). Аустенит парамагнитен (см. рис. 3.3.).

Рис. 3.3. Аустенит

Рис. 3.4. Феррит и аустенит

Цементит – химическое соединение железа с углеродом. Стехиометрическая формула цементита – Fe₃C (карбид железа), содержит 6,67% С. Цементит имеет сложную орторомбическую кристаллическую решётку (рис. 3.5), обладает высокой твердостью (НВ 800) и большой хрупкостью. Чем больше цементита в сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. По условиям образования различают: первичный цементит Ц_I (образуется при кристаллизации из жидкости в виде больших светлых кристаллов), вторичный цементит Ц_п (выделяется из аустенита в виде сетки по границам зерен), третичный цементит Ц_ш (выделяется из графита в виде мелких зерен).

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

Рис. 3.5. Кристаллическое строение цементита

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

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

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

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

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

Рис. 6.5.Кристаллическое строение цементита

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

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

Урок 1. Тема: Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом

Тип урока: у рок формирования новых знаний.

Средства обучения:

· Дидактический материал (опорные конспекты, слайды).

Технические средства: мультимедийный комплекс

Межпредметные связи: «Общие основы технологии металлообработки и работ на металлорежущих станках», «Технология обработки на металлорежущих станках»,

1. Организационно – мотивационный этап – 8 мин.

1.1. Мотивация (важность темы при изучении дисциплины- устно)

1.1.Предварительное определение уровня знаний обучающихся (актуализация по предыдущим темам - устно)

2. Организация самостоятельной деятельности обучающихся по основным вопросам темы- 72мин.

( Учебный материал № 1 , лист с заданием 1.1, «Закрепляющий материал-задание 1.2).

3. Подведение итогов учебной деятельности – 10 мин.

3.1.Проверка степени усвоения изученной информации (лист с заданием 1.3.)

3.2.Оценка учебного занятия

Учебный материал 1

Сплавы железа с углеродом являются основными компонентами так называемых чёрных сплавов- сталей и чугунов, которые служат важнейшими конструкционными материалами в технике. Изучением железоуглеродистых сплавов занимались такие учёные: Ледебур, Аустен, Осмонд, Ле-Шателье, Гудцов, Байков. Учёный Дмитрий Чернов впервые указал на существование критических точек в сплавах и дал первое представление о диаграмме состояния сплавов железа с углеродом.

Сталь- сплав железа с углеродом, где углерода до 2,14%.

Чугун- сплав железа с углеродом, где углерода от 2,14% до 6,67%.

Сталь и чугун также содержат небольшое количество примесей: полезных - кремний и марганец, вредных - сера и фосфор. Структура и свойства любого сплава зависят, прежде всего, от свойств базового компонента и элементов- добавок, а также от характера их взаимодействия. Рассмотрим свойства основных компонентов железоуглеродистых сплавов

Железо и его свойства — пластичный металл серебристо-белого цвета. При комнатной температуре чистое железо - мягкий пластичный металл с невысокой твердостью (НВ 80). Относительное удлинение 45-55%.Железо имеет две полиморфные модификации: альфа-железо и гамма-железо (Рис. 1).

Рис.1 Кривая охлаждения железа

Альфа-железо магнитно до температуры 768° С (точка Кюри), решётка КОЦ.. При нагреве выше 911°С происходит перекристаллизация: образуется гамма-железо, имеющее решётку КГЦ. В результате дальнейшего нагревания (при температуре выше 1441°С) железо снова меняет свою решётку на КОЦ . Температура 1539°С является температурой плавления чистого железа. При охлаждении все эти процессы протекают в обратном порядке. В результате полиморфных превращений происходит вторичная кристаллизация, являющаяся основной предпосылкой проведения термической обработки. С углеродом железо образует химическое соединение и твёрдые растворы.

Углерод и его свойства - неметаллический элемент. Температура плавления — 3500°С.В природе может существовать в двух полиморфных модификациях: алмаз и графит. В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Прочность и пластичность его очень низкие. Углерод растворим в железе, в жидком и твёрдом состояниях может образовывать химическое соединение- цементит, может находиться в свободном виде - в форме графита.

Структурные составляющие сплавов железа с углеродом

В сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, химические соединения, а также твёрдые растворы. В сплавах железа с углеродом могут образовываться следующие структурные составляющие:

Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fe ₃ C . Характеризуется очень высокой твердостью (НВ 800), крайне низкой пластичностью и высокой хрупкостью. Цементит неустойчив и в определённых условиях распадается с образованием свободного графита.

Феррит (Ф)- твердый раствор углерода в а- железе. Благодаря малому содержанию углерода свойства феррита близки к свойствам чистого железа - низкая твердость (НВ 80-100) и высокая пластичность(50%).

Аустенит (А) — твердый раствор углерода в у- железе. Имеет твердость НВ 220, непрочный, средняя пластичность(40%).

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. Цементит придаёт перлиту высокую прочность(800МПа), низкую пластичность(15%).Твёрдость перлита невысокая (НВ160). Перлит является эвтектоидом. Эвтектоид — это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).

Ледебурит (Л) представляет собой эвтектику - механическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3% углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит, входящий в состав ледебурита превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.

Графит - аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, прочность его очень низкая. В чугунах содержится в виде включений различной формы: пластинки, хлопья и шары.

Читайте также: