Заэвтектоидными сталями называют железоуглеродистые сплавы при содержании углерода
Обновлено: 13.05.2024
Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит:
Железо
Железо – d-переходный металл серебристо-светлого цвета. Температура плавления – 1539° С. Удельный вес равен 7,86 г/см3. Наиболее существенной особенностью железа является его полиморфизм. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях - α и γ. Полиморфные превращения происходят при температурах 911° С и 1392° С. При температуре ниже 911° С и выше 1392° С существует Feα (или α-Fе) с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392° С устойчивым является Feγ (или γ-Fе) с гранецентрированной кубической решеткой. При превращении α→γ наблюдается уменьшение объема, так как решетка γ-Fе имеет более плотную упаковку атомов, чем решетка α-Fе. При охлаждении во время превращения γ→α наблюдается увеличение объема. В интервале температур 1392…1539° С высокотемпературное Feα называют Feδ. Высокотемпературная модификация Feα не представляет собой новой аллотропической формы.
При температуре ниже 768° С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точку 768° С, соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри. Модификация Feγ парамагнитна.
Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (временное сопротивление – σв=250 МПа, предел текучести – σт=120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ=50 %, а относительное сужение – ψ=80 %). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.
Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.
Углерод
Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500° С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000° С).
В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).
Цементит
Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Более точные исследования показали, что цементит может иметь переменную концентрацию углерода. Однако в дальнейшем, при разборе диаграммы состояния, сделаем допущение, что Fе3С имеет постоянный состав. Кристаллическая решетка цементита ромбическая, удельный вес 7,82 г/см3 (очень близок к удельному весу железа). При высоких температурах цементит диссоциирует, поэтому температура его плавления неясна и проставляется ориентировочно – 1260° С. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 210° С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.
Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: например, азотом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.
Если графит является стабильной фазой, то цементит – это метастабильная фаза. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.
Фазы в системе "железо-углерод"
В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.
Жидкая фаза
Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
Феррит
Феррит (Ф, α)- твердый раствор внедрения углерода в α-железе (от латинского слова ferrum – железо). Различают низкотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727° С (точка P) и высокотемпературный δ-феррит (в интервале температур 1392…1539° С) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499° С (точка J).
Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 80 - 130 НВ, временное сопротивление – σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение - δ=50 %), магнитен до 768° С.
Под микроскопом феррит выглядит как светлые полиэдрические зерна. В сталях может существовать в виде сетки (разной толщины, в зависимости от содержания углерода), зерен (малоуглеродистые стали), пластин или игл (видманштетт).
Аустенит в сталях
Аустенит (А, γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ–железо (по имени английского ученого Р. Аустена). Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в γ -железе 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е). Аустенит имеет твердость 180 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40…50 %), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. Под микроскопом выглядит как светлые полиэдрические зерна с двойниками.
Цементит – формы существования
В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.
Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо - цементит и железо - графит. Первая диаграмма (Fе — Fе3С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе - С) - графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура - содержание углерода. Диаграмма состояния системы железо - углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран. Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова. Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части.
Буквенное обозначение узловых точек в диаграмме является общепринятым как в России, так и за рубежом.
Диаграмма состояния железо-углерод
Имеющиеся во всех областях диаграммы фазы видны на рисунке. Значение всех линий указано в таблице.
Ликвидус по всей диаграмме проходит по линиям АВ, ВС, СD; солидус - по линиям АН, НJ, JЕ, ЕСF. Сплавы железа с углеродом обычно делят на стали и чугуны. Условной границей для такого деления является 2,14 % С (точка E). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % - к чугунам.
Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения. Обозначаются буквой А. В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс с (от слова chauffage – нагрев) при нагреве и индекс r (от слова refroidissement – охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.
Таким образом, например, нагрев доэвтектоидной стали выше соответствующей точки на линии GS обозначается как нагрев выше точки АС3. При охлаждении же этой стали первое превращение должно быть обозначено как Аr3, второе (на линии РSК) - как Аr1.
Другие структурные составляющие в системе "железо-углерод"
Кроме компонентов и фаз в системе сплавов "железо-углерод" присутствуют другие структурные составляющие - перлит и ледебурит
Перлит
Перлит - эвтектоид, механическая смесь феррита и цементита, полученная в результате распада аустенита при охлаждении сплавов ниже 727° С. При медленном охлаждении перлит присутствует во всех сплавах с концентрацией углерода от 0,02 до 6,67%. Под микроскопом перлит может выглядеть либо как пластины, либо как зерна - зернистый перлит. Его вид, также как и механические свойства, зависит от скорости охлаждения сплава и вида его термической обработки
Ледебурит в сталях
Ледебурит - эвтектика, механическая смесь аустенита и цементита, выделяющаяся из жидкости при охлаждении сплавов ниже 1147° С. Принципиальное отличие эвтектикой составляющей от эвтектоидной заключается в том, что первая выделяется из жидкости, а вторая из твердого раствора, в случае железоуглеродистых сплавов - из аустенита. Название данная структурная составляющая получила в честь имени немецкого ученого-металлурга Ледебура.
Узловые критические точки диаграммы состояния системы железо-углерод
Узловые критические точки диаграммы железо-углерод
Значение линий диаграммы состояния системы железо-углерод
Значения линий на диаграмме железо-углерод
Всякая диаграмма состояния показывает условия равновесного сосуществования фаз во взятой системе компонентов.
Полное физико-химическое равновесие между фазами может быть достигнуто только в специальных лабораторных условиях, а на практике некоторым приближением к этому состоянию может быть случай чрезвычайно медленного охлаждения или нагрева сплава с весьма длительными выдержками во времени при любых искомых температурах.
Лазерная резка металла как бизнес-идея
Когда речь идет о резке металла, существует несколько различных способов. Можно использовать традиционные методы.
Крупнейшие мировые выставки в сфере металлургии на 2022-2023 г
Специализированные выставки в сфере металлообработки и металлургии позволяют изучить новые тенденции рынка, а также, что.
Очистка изделий из металла: простые советы
В быту мы сталкиваемся с огромным количеством металлических изделий, а точнее с различными сплавами.
Какое оборудование подлежит сертификации?
Оборудованием называют совокупность аппаратов, машин, устройств, приспособлений, предназначенных для выполнения определенного перечня функций. Применяется.
Начало и конец поиска месторождений полезных ископаемых
Поиском полезных ископаемых люди стали заниматься с тех пор, как зародилась идея повышать качество.
Газорезка – эффективный способ резки металлических изделий
Сегодня большое распространение получили изделия из металлопроката. Они повсеместно используются в строительстве и в.
Классификация железоуглеродистых сплавов
Структура сплавов в равновесном состоянии определяется содержанием углерода. По содержанию углерода на диаграмме «Железо – цементит»все сплавы принято делить на три группы: техническое железо, стали и чугуны.
Техническим железом называются сплавы с содержанием углерода от 0 до 0,02 %. При концентрации углерода до 0,006 % сплавы являются однофазными и имеют структуру феррита.
Сплавы с содержанием углерода от 0,006 % до 0,02 % являются двухфазными. Это объясняется тем, что концентрация углерода в сплавах превышает его растворимость в феррите при комнатной температуре. В процессе охлаждения феррит любого сплава, имеющего концентрацию углерода свыше 0,006 %, оказывается перенасыщенным. Равновесного состояния феррит достигнет за счет выделения цементита.
Сталями называются сплавы железа с углеродом, концентрация которого находится в пределах от 0,02 % до 2,14 %.
Процессы, протекающие при первичной кристаллизации, на структуру сталей влияния не оказывают. Окончательная структура сталей формируется из аустенита. При 727 ºС (рис. 4.4.1, линия РSК) все стали претерпевают эвтектоидное превращение:
Продуктом данного превращения является перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита.
По структуре в равновесном состоянии стали делятся:
· на доэвтектоидные (концентрация углерода от 0,02 % до 0,8 %), при комнатной температуре состоящие из двух фаз – феррита и цементита, структура таких сталей – феррит+перлит;
· эвтектоидные (концентрация углерода 0,8 %), также состоящие из двух фаз – феррита и цементита, структура – перлит;
· заэвтектоидные (концентрация углерода от 0,8 % до 2,14 %), имеющие структуру перлит+цементит, образованную из двух фаз – феррита и цементита.
Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода. Если весь углерод находится в химически связанном состоянии (в виде химического соединения Fe3C), то такой чугун называется белым. Своим названием такой чугун обязан цвету излома.
Для белых чугунов характерно эвтектическое превращение при температуре 1147 ºС (рис. 4.4.1, линия ЕСF), в результате которого образуется ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита:
При температуре 727 ºС происходит превращение аустенита в перлит, и после этого ледебурит будет состоять из перлита и цементита.
По структуре в равновесном состоянии чугуны делятся:
· на доэвтектические (от 2,14 % до 4,3 % углерода). Фазовый состав − феррит и цементит; структурный состав − ледебурит, перлит, цементит вторичный;
· эвтектические (4,3 % углерода). Фазовый состав − феррит и цементит, структурный состав − ледебурит;
· заэвтектические (от 4,3 до 6,67 % углерода). Фазовый состав − феррит и цементит, структурный состав − ледебурит, цементит первичный.
Все рассматриваемые выше сплавы состоят из одинаковых фаз − феррита и цементита, но имеют разную структуру, а именно структура определяет свойства сплавов.
Белые чугуны обладают хорошими литейными свойствами, но высокая твёрдость исключает их механическую обработку. Поэтому белые чугуны не являются конструкционным материалом. Высокие литейные свойства обеспечиваются углеродом, и в то же время углерод, соединяясь с железом, образует твёрдый цементит.
Чтобы сохранить высокие литейные свойства и понизить твёрдость чугуна, нужно, не уменьшая концентрации углерода, добиться резкого уменьшения цементитной составляющей в структуре. Для этого необходимо, чтобы весь углерод или большая его часть выделилась в свободном виде в форме графита. Эту задачу решают введением в сплав кремния и медленным охлаждением отливки.
Серыми чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь углерод или большая его часть находится в структурно-свободном состоянии в виде пластинчатого (лепесткового) графита. Поскольку серые чугуны, как минимум, трёхкомпонентные сплавы, то диаграмма «Железо − цементит» для определения структуры сплавов непригодна. В серых чугунах различают металлическую основу и графитовые включения.
По металлической основе серые чугуны подразделяются:
· на ферритные серые чугуны со структурой феррит и графит пластинчатый;
· на феррито-перлитные серые чугуны со структурой феррит, перлит, графит пластинчатый;
· на перлитные серые чугуны со структурой перлит и графит пластинчатый.
Серые чугуны имеют хорошие литейные свойства, прекрасно обрабатываются резанием, но имеют низкую прочность и плохо сопротивляются ударным нагрузкам. Низкая прочность серого чугуна объясняется формой графита. Пластинчатый графит служит концентратором напряжения, выполняя роль надреза.
Чтобы сохранить достоинства серого чугуна и повысить его прочность, нужно изменить форму графита − пластины превратить в глобули. Эту проблему решают модифицированием − введением в расплав малых количеств магния или церия.
Высокопрочными чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь углерод или большая его часть находится в структурно-свободном состоянии в форме шаровидного графита.
По металлической основе высокопрочные чугуны делятся:
· на ферритные высокопрочные чугуны со структурой феррит и графит шаровидный;
· феррито-перлитные высокопрочные чугуны со структурой феррит, перлит и графит шаровидный;
· перлитные высокопрочные чугуны со структурой перлит и графит шаровидный.
Ковкими чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь углерод или большая его часть находится в структурно свободном состоянии в виде графита хлопьевидного. Получают ковкие чугуны путём отжига белых чугунов.
По металлической основе ковкие чугуны подразделяются:
· на ферритные ковкие чугуны со структурой феррит и графит хлопьевидный;
· феррито-перлитные ковкие чугуны со структурой феррит, перлит и графит хлопьевидный;
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ
Сталями называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %. Сплавы с большим содержанием углерода (2,14 до 6,67 %) называются чугунами. Границей между сталями и чугунами принято считать проекцию точки Е, т.е. точки максимального насыщения аустенита углеродом, от которой начинается линия эвтектического равновесия. В результате первичной кристаллизации стали образуется аустенит (линия АЕ).
В отличии от сталей структура чугуна характеризуется наличием эвтектики, которая состоит из аустенита и цементита.
Первичная кристаллизация стали. На рис. 1 показан верхний участок упрощенной диаграммы Fe-Fe3C.
Рис. 1 . Верхний левый участок упрощенной диаграммы состояния железо-цементит.
а) Первичная кристаллизация сплавов до 2,14 %С (сталей); б) кривая охлаждения сплава 1
В сталях из жидкой фазы кристаллизуется аустенит. Состав жидкой фазы меняется по проекции линии АС на ось концентраций, твердой фазы по проекции линии АЕ.
Превращения в твердом состоянии. Окончательное формирование структуры стали происходит в результате превращений аустенита при дальнейшем охлаждении. Основой этого превращения является полиморфизм, связанный с перегруппировкой атомов из ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку феррита, а также изменение растворимости углерода по линии ES в аустените и PQ в феррите. В сплавах с содержанием от 0,025 до 2,14 %С вторичные превращения начинаются при температурах, соответствующих линиям GS и SE и заканчиваются при температуре ниже 727 °С и линии PSK, в результате эвтектоидной реакции.
Сплавы с содержанием углерода менее 0,025 % не испытывают эвтектоидного превращения. Критические точки аустенит ® феррит превращения (линия GS) в доэвтектоидных сталях обозначаются так же, как аллотропическое превращение в чистом железе, с индексом А3, т.е. при нагреве Ас3,т.е. при охлаждении Аr3. Выделение цементита из аустенита в заэвтектоидной стали (линия SE) обозначается индексом Аcm. При температуре 727 °С (линия PSK) критические точки обозначаются индексом А1; при нагреве Аc1; при охлаждении Аr1. Распад аустенита при эвтектоидном превращении по метастабильной системе проходит с образованием феррита и цементита при переохлаждении ниже 727 °С.
(Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом).
Рассмотрим структурообразование нескольких групп сплавов. На рис. 18 приведена левая нижняя часть диаграммы состояния железо-цементит с кривыми охлаждения типичных сплавов и микроструктурой.
Сплавы, содержание углерода в которых не превышает 0,006 %С (на примере сплава 1). До температуры несколько ниже t3 (линия GS) аустенит охлаждается без изменения состава. В интервале t3 – t4 происходит полиморфное А® Ф превращение. На стыках и границах зерен аустенита возникают зародыши феррита, которые растут и развиваются за счет атомов аустенитной фазы. Ниже температуры t4 сплав состоит из однородного a -твердого раствора – феррита. При дальнейшем охлаждении никаких превращений не происходит (Рис. 18б).
Сплавы с содержанием углерода от 0,006 до 0,025 % (сплав П рис. 2 в). Так же как и в предыдущем сплаве в интервале температур t5 – t6 происхо- дит полиморфное А® Ф превращение. Ниже t6 в сплаве имеется ферритная фаза. Однако ниже температуры t7 изменение состава феррита, согласно предельной растворимости углерода в феррите по линии РQ, приводит к образованию более высокоуглеродистой фазы – цементита. Этот цементит называется третичным. Как правило третичный цементит располагается по границам ферритных зерен (рис. 2в). Максимальное количество третичного цементита составляет около 0,3 %. Несмотря на такое малое количество, расположение его вокруг зерен феррита в виде хрупких оболочек сообщает малоуглеродистому сплаву низкие пластические свойства, т.е. приводит к его охрупчиванию. Во избежании этого проводится специальная термическая обработка – старение, в результате которой третичный цементит выделяется в виде дисперсных частиц, равномерно распределенных по всему зерну.
Сталь эвтектоидного состава – содержание углерода 0,8 % (рис.2, сплав Ш).
В этом случае при охлаждении аустенита имеется только одна критическая точка Аs, отвечающая температуре 727 °С. При этой температуре аустенит находится в равновесии с ферритом и цементитом:
Аs p+ Ц ( )
Эвтектоидный распад аустенита состава точки S (0,8 %С) на феррит состава точки Р (0,025 %С) и цементит происходит при некотором переохлаждении, т.е. ниже 727 °С. Эвтектоидная смесь феррита с цементитом называется перлитом. Соотношение феррита и цементита в перлите составляет примерно 7,3 : 1.
Подсчет ведется по правилу рычага, несколько ниже эвтектоидной линии:
Доэвтектоидные стали. Сплавы с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 % называются доэвтектоидными сталями. Рассмотрим фазовые и структурные изменения доэвтектоидной стали на примере сплава Ш (рис. 2г). В интервале температур t8–727 °C идет полиморфное превращение А® Ф. Состав аустенита меняется по линии GS, а феррита – по линии GP. При 727 °С концентрация углерода в аустените равна 0,8 % (точка S) и в феррите – 0,025 % (точка Р).
Ниже этой температуры происходит эвтектоидное превращение. В равновесии находятся три фазы: феррит состава точки Р, аустенит состава точки S, цементит. Так как число степеней свободы равно нулю, т.е. имеется нонвариантное равновесие, то процесс протекает при постоянном составе фаз. На кривых охлаждения или нагрева наблюдается температурная остановка. Таким образом, структура доэвтектоидной стали характеризуется избыточными кристаллами феррита и эвтектоидной смесью феррита с цементитом, называемой перлитом. Количественные соотношения феррита и перлита зависят от состава сплава. Чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем больше в структуре ее перлита и, наоборот, чем меньше углерода, тем больше феррита и меньше перлита. При дальнейшем охлаждении в результате изменения растворимости углерода в феррите (соответственно линии РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре обнаружить его при наличии перлита невозможно.
Заэвтектоидные стали. Сплавы с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % называются заэвтектоидными. Процессы структурообразования рассмотрим на примере сплава V. До температуры t10 (линия ES) аустенит охлаждается без изменения состава. Несколько ниже этой температуры аустенит достигает предельного насыщения углеродом согласно линии растворимости углерода в аустените ЕS. В интервале температур t10 - 727 °C из пересыщенного аустенита выделяется высокоуглеродистая фаза – цементит, который называется вторичным. Состав аустенита меняется по линии ЕS и при температуре 727 °С достигает точки S (0,8 %С). Максимальное количество вторичного цементита:
Рис. 2. Левый нижний участок диаграммы состояния железо-цементит. Вторичная кристаллизация сплавов:
а) диаграмма, б), в), г), д), е) кривые охлаждения сплавов
Ниже 727 °С происходит эвтектоидное превращение: аустенит состава точки S (0,8 %С) распадается на смесь феррита состава точки Р (0,025 %С) и цементита. Таким образом, структура заэвтектоидной стали характеризуется зернами перлита и вторичного цементита.
В реальной стали с 1,2 %С (У12) количество вторичного цементита составляет всего около 6 %.
При медленном охлаждении цементит, как правило располагается в виде тонкой оболочки. В разрезе это выглядит как сетка цементита. Более благоприятной формой цементита является зернистая, она не приводит к значительному снижению пластических свойств стали.
Чугуны. Все превращения в белых чугунах, начиная от затвердевания и до комнатных температур, полностью проходят по метастабильной диаграмме Fe-Fe3C. Наличие цементита придает излому светлый блестящий цвет, что привело к термину “белый чугун”. Независимо от состава сплава обязательной структурной составляющей белого чугуна является цементитная эвтектика (ледебурит). На рис. 19 изображена структурная диаграмма равновесия железо-цементит и кривые охлаждения типичных сплавов.
Эвтектический белый чугун. Рассмотрим процессы затвердевания, формирования первичной структуры и дальнейших структурных превращений в твердом состоянии сплава эвтектического состава с 4,3 %С (сплав 1 рис. 3).
Затвердевание происходит в один этап при температуре ниже 1147 °С. Жидкая фаза с 4,3 %С образует эвтектическую структуру: смесь аустенита с 2,14 %С и цементита. Эта эвтектика называется ледебуритом. Как и всякая эвтектическая реакция, отвечающая нонвариантному (безвариантному) равновесию протекает при постоянной температуре и постоянном составе фаз. При эвтектической реакции ниже (1147 °С) содержание углерода в аустените максимально (2,14 %). Дальнейшее охлаждение от температуры 1147 °С до 727 °С приводит к непрерывному уменьшению в нем углерода согласно линии ограниченной растворимости ЕS. Углерод выделяется из аустенита в виде цементита, который называется вторичным цементитом (Цвторичн.). Однако он, как правило, не обнаруживается, т.к. присоединяется к эвтектическому цементиту. Ниже температуры 727 °С аустенит эвтектики состава (0,8 %С) претерпевает эвтектоидное превращение , т.е. образуется перлит.Таким образом, ниже 727 °С ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита. Такой ледебурит называется превращенным. При охлаждении до комнатной температуры в результате изменения растворимости углерода в феррите (линия РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре он не обнаруживается. На рис. 3 б показана структура белого чугуна эвтектического состава. Она представляет собой одну эвтектику – ледебурит. Темные участки (зернышки и пластинки) отвечают перлитным включениям, равномерно распределенным на светлом фоне цементита.
Доэвтектические белые чугуны. Железоуглеродистые сплавы состава 2,14 – 4.3 %С называются доэвтектическими белыми чугунами. Рассмотрим процесс кристаллизации и вторичных превращений на примере сплава П рис.3. От температуры несколько ниже линии ликвидус АС до 1147 °С из жидкости выделяются кристаллы аустенита. Аустенит кристаллизуется в форме дендритов, которые, как правило, обладают химической неоднородностью, называемой дендритной ликвацией. Состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, стремясь к эвтектическому, а твердой по линии солидус, стремясь к составу точки Е. При температуре 1147 °С концентрация жидкой фазы достигает точки С (4,3 %С), а аустенита – точки Е (2,14 %С). Из жидкости эвтектического состава образуется смесь аустенита и цементита – ледебурит 1147 °С.
Таким образом, ниже эвтектической линии ЕСF структура характеризуется избыточными кристаллами аустенита и эвтектикой (ледебуритом). При охлаждении от 1147 до 727 °С состав аустенита непрерывно меняется по линии ЕS, при этом выделяется цементит вторичный (Цвторичн.). Вторичный цементит выделяется как из избыточного аустенита, так и из аустенита эвтектики. Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую.
Ниже 727 °С весь аустенит: и избыточный, и тот, который входит в состав эвтектики – претерпевает эвтектоидное превращение, при котором образуется перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура доэвтектического белого чугуна характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита и цементитом вторичным. Структура реального доэвтектического белого чугуна изображена на рис. 3 в. Чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики – ледебурита.
Заэвтектический белый чугун. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % (сплав Ш) называются заэвтектическими белыми чугунами. Кристаллизация начинается при температуре t4 несколько ниже линии СD выпадением цементита, который называется цементитом первичным(Цпервичн.). Состав жидкой фазы меняется по линии СD, твердая – остается без изменения. При температуре 1147 °С заканчивается кристаллизация избыточных кристаллов Цпервичн.. Жидкость состава точки С (4,3 %С) согласно эвтектической реакции образует ледебурит. При дальнейшем охлаждении изменение состава аустенита по линии ЕS приводит к выделению цементита вторичного (Цвторичнн.), который присоединяется к эвтектическому Температура 727 °С является температурой эвтектоидного равновесия аустенита, феррита и цементита. Ниже этой температуры аустенит превращается в перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура заэвтектического белого чугуна характеризуется избыточными кристаллами цементита первичного (белые пластины) и превращенным ледебуритом, состоящим из темных полосок или зернышек перлита и светлой основы – цементита. На рис. 3 г изображена кривая охлаждения и структура белого заэвтектического чугуна.
Рис.3. Диаграмма состояния “железо-цементит” (структурная) и кристаллизация белых чугунов. а) – диаграмма, б), в), г) – кривые охлаждения сплавов со схемами микроструктур при нормальной температуре
Индивидуальное задание № 2
Диаграмма системы Fe-Fe3C
В таблице 1 приведены исходные данные для выполнения второго индивидуального задания, указана массовая доля углерода (колонка 2 табл.).
Варианты заданных сплавов
| № варианта | % углерода (по массе) | № варианта | % углерода (по массе) | № варианта | % углерода (по массе) |
| 5,0 | 0,1 | 4.5 | |||
| 4,3 | 3,5 | 0,6 | |||
| 1,0 | 0,9 | 0,25 | |||
| 3,0 | 0.022 | 1,1 | |||
| 0,8 | 0.018 | 4,7 | |||
| 0,4 | 2,0 | 0,5 | |||
| 1,3 | 2,8 | 1,2 | |||
| 2,2 | 0.35 | 0,9 | |||
| 5,5 | 0,7 | 0,05 | |||
| 0,012 | 1,8 | 0,045 |
Порядок выполнения задания
1. В соответствии с номером Вашего варианта выписать из табл. 1 массовую долю углерода контрольного сплава.
2. На листе формата А4 вычертить диаграмму состояния Fe-Fe3C. Обозначить структурные составляющие во всех областях диаграммы.
3. Нанести на диаграмму фигуративную линию контрольного сплава, выполнить построение необходимых конод.
4. Построить кривую охлаждения контрольного сплава. Дать подробное описание его микроструктуры при медленном охлаждении. Привести необходимые реакции.
5. Указать к какой группе железоуглеродистых сплавов он относится, по возможности привести марку рассмотренного сплава, его применение.
6. Схематически изобразить микроструктуру сплава в интервале температур первичной кристаллизации и при комнатной температуре. На рисунке отметить структурные составляющие.
Отчет по индивидуальному заданию выполняется по установленной форме.
Контрольные вопросы для защиты задания
1. Какое превращение происходит в железоуглеродистых сплавах при температуре 1147 °С?
2. Какое превращение происходит в железоуглеродистых сплавах при температуре 727 °С?
3. Какой фазовый состав имеют стали по завершению процесса первичной кристаллизации?
4. Какой фазовый состав имеют стали при комнатной температуре?
5. Чем отличается ледебурит от ледебурита превращенного?
6. Чем отличаются структурные составляющие “цементит первичный”, “цементит вторичный”, “цементит третичный”?
7. Назовите все характерные точки диаграммы и их общепринятые международные обозначения.
8. Каким образом отличаются обозначения критических точек при нагреве и охлаждении?
9. Назовите стабильную и метастабильную модификации углерода.
10. Назовите характеристики точек и линий диаграммы.
11. Что называют перлитом?
12. Что называют ледебуритом?
13. Что называют аустенитом?
14. Что называют ферритом?
15. Чем отличаются превращения в твердом состоянии у доэвтектоидной и заэвтектоидной стали?
16. Какая фаза первично кристаллизуется в заэвтектических белых чугунах?
17. Изобразите фазовую диаграмму железо-цементит.
18. Как называется чугун в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида?
19. Какая фаза первично кристаллизуется в доэвтектических белых чугунах?
20. Какой сплав называют техническим железом?
Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом
Железо и углерод – элементы полиморфные. Железо с температурой плавления 1539ºC имеет две модификации - α и γ. Модификация Feα существует при температурах до 911°C и от 1392 до 1539°C, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм (при 20-25 °C). Важной особенностью Feα является его ферромагнетизм ниже температуры 768ºC, называемой точкой Кюри.
Модификация Feγ существует в интервале температур от 911….1392°C, и имеет ГЦК решетку, период которой при 911°C равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК. В связи с этим при Feα →Feγ объем железа уменьшается приблизительно на 1 %. Feγ парамагнитно.
Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз. (Это используют при получении синтетических алмазов).
Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.
Феррит(обозначают Ф или α) – твердый раствор внедрения углерода в Feα . Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет лишь 0,02 % , в высокотемпературном – 0,1 %. Столь низкая растворимость углерода в Feα обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях). Феррит – мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: σв=300МПа; δ=40%; ψ=70%; KCU=2,5 МДж/v 2 ; твердость – 80-100 HB.
Аустенит (обозначают А или γ) – твердый раствор внедрения углерода в Feγ . Он имеет ГЦК-рещетку , межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Feγ значительно больше и достигает 2,14% . Аустенит пластичен, но прочнее феррита (160-200 HB) при 20-25 °C.
Цементит(обозначают Ц) – карбид железа (почти постоянного состава) Fe3C, содержит 6,69% C и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800 HB) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при 210 °C. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260°C.
Графит– углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.
Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали и чугуны.
Превращения сталей в твердом состоянии. Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии, поэтому рассмотрим более подробно превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации
Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите. Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен. (рис. 5.2.). Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.
При 20-25°C третичный цементит имеется во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,0002% С. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание мало по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых превращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02% о третичном цементите не упоминают.
Рис. 5.2. Микроструктура стали с содержанием углерода
Сплав с содержанием 0,8% С называется эвтектоидной сталью. В нем при температуре 727 0 С происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит. Такую смесь двух фаз (структурной составляющей) называют перлитом (рис.5.3.). Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σв=800…900 МПа; σ0,2=450МПа; δ≤16%; твердость-180…200НВ.
Сплавы с содержанием углерода менее 0,8% называют доэвтектоидными сталями. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит. Поэтому структура таких сталей состоит из феррита и перлита с различным содержанием данных фаз в зависимости от количества углерода, присутствующего в сталях. (рис.) С увеличением углерода количество перлита увеличивается.
 |  |
| а) | б) |
Рис. 5.3. Микроструктура эвтектоидной стали. Перлит при 100х (а) и 1000х (б)
Сплавы с содержанием углерода >0,8% называют заэвтектоидными сталями. Эвтектоидному превращению в этих сталях предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (ЦII) из-за уменьшения растворимости углерода в аустените. При температуре эвтектоидного распада аустенит стали теряет углерод до 0,8% и испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой. (рис. ) Максимальное количество структурно свободного цементита (~20%) содержится в сплаве с содержанием углерода 2,14 %.
Все железоуглеродистые сплавы, в соответствии с диаграммой железо-углерод, подразделяются на техническое железо (содержание углерода в сплаве менее 0,02%), стали (содержание углерода в сплаве от 0,02% до 2,14%) и чугуны (содержание углерода более 2,14%)
Характеристика сталей
Стали — сплавы железа (Fe) с углеродом (С), с содержанием последнего не более 2,14%. Стали характеризуются достаточно высокой плотностью (7,7 - 7,9 г/см 3 ) и другими физическими величинами:*
- Удельная теплоёмкость при 20°C: 462 Дж/(кг·°C)
- Температура плавления: 1450—1520°C
- Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг)
- Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20°C: 11,5·10-6 1/°С
- Коэффициент теплопроводности при температуре 100°С: 30 Вт/(м·К)
*Данные характеристики представляют среднее значение. Фактическая величина свойств зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали. Для ее точного определения стоит пользоваться марочниками сталей и сплавов.
На практике используются стали с содержанием углерода не более 1,3%, т.к. при его более высоком содержании увеличивается хрупкость.
Классификация сталей
Стали характеризуются или классифицируются по множеству признаков:
Классификация по химическому составу
- углеродистые стали - классифицируются в зависимости от содержания углерода в %:
- низкоуглеродистые ( < 0,25 %C)
- среднеуглеродистые (0,25-0,65 %C)
- высокоуглеродистые (> 0,65 %C)
- легированные стали - классифицируются в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов в %:
- низколегированные ( < 2,5%)
- среднелегированные (2,5-10 %)
- высоколегированные (> 10 %)
Если содержание Fe меньше 45 %, то это сплав, на основе элемента самого высокого содержания. Если содержание Fe больше 45 %, то это сталь.
Классификация по назначению
- конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов, содержание углерода 0,3%. Основную классификацию и группы конструкционных сталей можно посмотреть здесь
- инструментальные – применяются для изготовления мерительного, режущего инструмента, штампов горячего и холодного деформирования. Содержание углерода >0,8%;
- с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами, жаропрочные, износостойкие и др.
Классификация по структуре
Классификация по Обергофферу - по структуре в равновесном состоянии
Изначально эта классификация содержала только 4 типа сталей:
- доэвтектоидные
- эвтектоидные
- заэвтектоидные
- ледебуритные (имеющие в литом состоянии эвтектику)
Позже были внесены дополнения:
Равновесное состояние - состояние сплава или стали после медленного охлаждения, чаще всего после отжига
Классификация по Гийе - по структуре после нормализации (нагрева и охлаждения на воздухе)
- перлитные
- мартенситные
- ферритные
- аустенитные
- карбидные
Также могут быть смешанные классы: феррито-перлитный, аустенитно-ферритный и т.д.
Классификация сталей по качеству
Количественным показателем качества является содержания вредных примесей- серы и фосфора:
- обыкновенного качества (S≤0,05, P≤0,04)
- качественные стали (S, P ≤0,035)
- высококачественные (S, P ≤0,025)
- особовысококачественные (S≤0,015, P≤0,025)
Классификация по способу выплавки
- в мартеновских печах
- в кислородных конверторах
- в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.
Классификация по степени раскисления
- кипящие (кп)
- полуспокойные (пс)
- спокойные (сп)
Расширенные характеристики и свойства (технологические, физические. химический состав) некоторых марок сталей смотрите здесь.
Классификация и маркировка чугунов
Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве.
Классификация чугунов
В зависимости от состояния углерода в чугуне, его подразделяют на следующие виды:
- белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида
Такой чугун может быть доэвтектическими и заэвтектическими, а разделяет их эвтектический чугун (4,31% С). Структура доэвтектического чугуна – перлит, вторичный цементит и ледебурит, заэвтектического – первичный цементит с ледебуритом.
- графитизированный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, что определяет прочностные свойства сплава. Такие чугуны подразделяют на:
- серые - пластинчатая или червеобразная форма графита (ЧПГ)
- высокопрочные - с шаровидным графитом (ЧШГ)
- ковкие - хлопьевидный графит (ЧХГ)
- чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) — имеет промежуточные свойства между СЧ и ВЧ. По форме графита напоминает СЧ, но имеет более толстые и более короткие пластины с округленными концами
Еще чугуны классифицируются по основе, в которой расположен графит. Основа может быть перлитной, ферритной, феррито-перлитной.
Маркировка чугунов
Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления δв при растяжении в МПа-10. Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85).
Пример маркировки
СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа;
ВЧ70 - высокопрочный чугун с сигма временным при растяжении 700 МПа;
КЧ35 - ковкий чугун с δв растяжением примерно 350 МПа.Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун: С - серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79.
Чугуны специального назначения
К этой группе чугунов относятся жаростойкие (ГОСТ 7769—82), жаропрочные и коррозионностойкие (ГОСТ 11849—76) чугуны. Сюда же можно отнести немагнитные, износостойкие и антифрикционные чугуны.
Жаростойкими являются серые и высокопрочные чугуны, легированные кремнием (ЧС5) и хромом (4Х28, 4Х32). Высокой термо- и жаростойкостью обладают аустенитные чугуны: высоколегированный никелевый серый ЧН15Д7 и с шаровидным графитом ЧН15ДЗШ.
К жаропрочным относятся аустенитные чугуны с шаровидным графитом ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш.
В качестве коррозионностойких применяют чугуны, легированные кремнием (ферросилиды) — ЧС13, ЧС15, ЧС17 и хромом — 4Х22, 4Х28, 4Х32. Для повышения коррозионной стойкости кремнистых чугунов их легируют молибденом (4С15М4, 4С17МЗ — антихлоры). Высокой коррозионной стойкостью в щелочах обладают никелевые чугуны, например аустенитный чугун 4Н15Д7.
В качестве немагнитных чугунов также применяются аустенитные чугуны.
К износостойким чугунам относятся половинчатые и отбеленные чугуны. К износостойким половинчатым чугунам относится, например, серый чугун марки И4НХ2, легированный никелем и хромом, а также чугуны И4ХНТ, И4Н1МШ (с шаровидным графитом).
Читайте также: