Um7.ru

Аренда стройтехники
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод

Часть диаграммы состояния сплавов железо-цементит

Диагра́мма фа́зового равнове́сия (диаграмма состоя́ния) желе́зо—углеро́д (иногда эту диаграмму называют «диаграмма железо—цементит») — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Содержание

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы на основе железа с содержанием углерода до 5 %, практически интересна часть диаграммы состояния от чистого железа до цементита [1] . Поскольку цементит — метастабильная фаза, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке).

Для серых чугунов и графитизированных сталей рассматривают стабильную часть диаграммы железо—графит (Fe—Гр), поскольку именно графит является в этом случае стабильной фазой. Цементит выделяется из расплава намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго, несмотря на метастабильность. В серых чугунах графит существует обязательно.

На рисунке тонкими пунктирными линиями показаны линии стабильного равновесия (то есть с участием графита), там где они отличаются от линий метастабильного равновесия (с участием цементита), а соответствующие точки обозначены штрихом. Обозначения фаз и точек на этой диаграмме приведены согласно неофициальному международному соглашению.

Применение качественной конструкционной углеродистой стали

Область применения достаточно широка. Основными потребителями сплавов являются машиностроительная и строительная отрасли. Одним из достоинств считается хорошая свариваемость.

Как следует из названия, «конструкционная» — значит использующаяся для строительных металлоконструкций. Другое название – арматурные стали.

Рассматривая основные марки качественных сталей, использующиеся промышленными предприятиями можно разделить по назначению.

  1. Качественные низкоуглеродистые стали 05-10. Основное их назначение изготовление ответственных и качественных конструкций с помощью сварки (повышение количества углерода способствует понижению свариваемости). Небольшое количество углерода после сварочных работ не провоцирует образование трещин как горячем, так и в холодном состоянии.
  1. Качественные низкоуглеродистые стали 12-20. Основное их назначение изготовление элементов конструкций и деталей, которые не ответственные, малонагруженные, в последствии цементируемые. Обрабатываются резанием, холодной штамповкой, сложной вытяжкой. Требования к поверхности: износостойкость, высокая твердость при мягкой сердцевине. Изготавливаются машиностроительные элементы (вал, ось, болт, муфта, вилка, рычаг, фланцы и прочие), а также элементов котлового оборудования, работающего при высоком давлении и температурах от -40°С до 450°С (трубопровод, тройник, соединительный фланец и прочие).
  1. Качественные среднеуглеродистые стали 25-35. Детали, изготовленные из данного материала, работают при средних нагрузках и с невысокими напряжениями. После химико-термического воздействия обладают высокой прочностью поверхностного слоя, износостойкостью, но с незначительной прочностью сердцевины детали (гайка, винт, собачка, крюк, кулачок, звездочка и прочие).
  2. Качественные среднеуглеродистые стали 40-45. После термической обработки изделия из данного материала хорошо переносят средние нагрузки (вал, шестерня, шатун и прочие). Для получения заготовок используется метод горячей объемной штамповки. Подвергаются всем способам термической обработки. У всех среднеуглеродистых сталей после закалки и следующего за ним высокого отпуска внутренней структурой становится отпускной сорбит. В связи с чем повышается вязкость с пластичностью, а это низкая чувствительность у концентраторов напряженности. При увеличении диаметра изделия снижается его прокаливаемость.

  1. Качественные среднеуглеродистые стали 50-55. Детали из этих сталей являются высоконагруженными элементами механизмов и агрегатов (муфта, шестерня, кольцо пружинное и прочие).
  2. Качественные высокоуглеродистые стали 60-80 (Г). Изготавливаются детали, подвергающиеся постоянным напряжениям сжатия, которые эксплуатируются в условиях трения (эксцентрик, рессора, пружина и прочие), а также работающие при больших нагрузках динамических и статических (торсион, крестовина).
  1. Качественные котельные стали 12К-22К. Применение нашли при изготовлении деталей, работа котрых сопряжена с повышенными температурами и высоким давлением. Для улучшения свариваемости в состав вводится титан, а раскисление производится за счет алюминия. Из нее изготавливают сосуды и котлы, работающие с турбинами, камерами сгорания на суднах и паровых агрегатах.
  1. Сталь автоматная. Широко применяется при промышленном производстве крепежных изделий для автомобилей и узлов, работающих при статических нагрузках (болт, гайка, шпилька).
Читайте так же:
Стабилизатор напряжения сети 220в

Диаграмма сплава железо-углерод

В результате взаимодействия составляющих диаграммы друг с другом, получается цементит – химическое соединение.

Как правило, при изучении диаграммы студентами-металловедами, все устойчивые соединения рассматриваются как компоненты, а само графическое изображение исследуется по частям.

Также на занятиях строят кривую охлаждения по диаграмме железо-углерод: выбирается процент углерода, а затем необходимо определить, какая фаза соответствует какой температуре на диаграмме.

Для этого необходимо кроме самой диаграммы начертить систему координат (температура-время). И начиная с максимальных градусов, двигаться постепенно вниз, изображая кривую и участки перехода одной фазы в другую. При этом необходимо называть их и указывать тип кристаллической решетки.

Далее рассмотрим подробнее само графическое изображение диаграммы состояния железо-углерод.

Во-первых, она имеет две формы (части):

  • железо-цементит;
  • железо-графит.

Во-вторых, сплавы, в которых главными «действующими лицами» является феррум и углерод, условно делят на:

  • стали;
  • чугуны.

Если углерода в сплаве менее или равно 2,14 % (точка Е на диаграмме), то это сталь, если более 2,14 % – чугун. По этой причине и подразделяют диаграмму на две фазы.

Микроструктура стали

Химический состав стали и режимы ее кристаллизации и дальнейшей обработки (термообработки, обработки давлением) определяют ее структуру, а структура стали определяет ее свойства, а знание свойств необходимо при проектировании изделий из стали. Поэтому контролю или изучению микроструктуры металлов уделяется много внимания.

Идею для данной статьи мне подал Олег Олегович, читатель из г. Владимира, за что ему огромное спасибо!

Полиморфизм железа

Прежде чем говорить про структуры сталей, хочу напомнить, что из статьи про полиморфизм железа мы знаем, что в твердом состоянии у железа существуют две модификации с разной кристаллической решеткой: модификация с объёмоцентрированной кубической (ОЦК) решеткой (1392—1539 °C и <911°С) и с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой (911—1392 °С)

Высокотемпературную модификацию железа с ОЦК решеткой (1392—1539 °C) также называют δ-железо, чтобы отличать его от низкотемпературной модификации (<911°С). Дальше так и будет — слвосочетание «альфа-железо» будет относиться к низкотемпературной модификации (<911°С).

Если тяжело запомнить, какая решётка у гамма-железа, а какая – у альфа, то могу поделиться способом, который помог запомнить мне, кто есть кто.
Словосочетание «гамма-железо» начинается на «Г», так же как и соответствующая решетка «Гранецентрированная». Словосочетание «альфа-железо начинается на «А», а когда мы говорим слово объемоцентрированная, которое как раз обозначает соответствующую решетку, то получается «Абъемацентрираваная» (говорим, а не пишем) – короче, тоже «А». Итого: у гамма-железа — гранецентрированная решетка, а альфа-железа — объёмоцентрированная.

Вспомнить про модификации железа нужно было, потому что слова «альфа» и «гамма» будут нам встречаться ниже в определениях, а определения я списывал из учебников, ничего не меняя. Из песни, как говорится, слов не выкинешь.

Различная растворимость углерода в ОЦК и ГЦК-железе

Еще одно явление, которое стоит понять — углерод в различных модификациях железа растворяется по-разному: в одной больше, в другой – меньше: растворимость углерода в альфа-железе менее 0,02%, а в гамма железе –до 2% [1, стр. 145].

Если осмотреть на решетки ОЦК и ГЦК с точки зрения геометрии, то сразу станет понятно, почему углерод в низкотемпературной модификации ОЦК-железа растворяется хуже, чем в ГЦК-железе:

1. Параметр решетки (проще говоря, грань куба) в γ-железе составляет около 3,6-3,7 Å (0,36-0,37 нм), а в α-железе – около 2,9 Å (0,29 нм). Получается, объем куба в случае γ-железа больше.

Зависимость параметра решетки железа от температуры [2]

2. Диаметр атома углерода 0,154 нм [1, стр. 146]. В α-решетке есть 12 свободных мест в середине ребер куба, размер этих «пор» составляет 0,062 нм [1, стр. 146]. Явно, просто так углерод сюда не влезет. В центре решетки γ-железа есть «пора» диаметром 0,102 нм, [1, стр. 146]. Если соседи (атомы железа) чуть подвинутся, для углерода будет место. В тесноте да не в обиде.

Когда мы медленно охлаждаем сталь, углеродистую например, с 1000°С до 800°С, структура перестраивается с ГЦК в ОЦК, а следовательно, углероду становится тесновато. Тогда часть атотмов углерода, которые уже не помещаются, прихватывают с собой по три атома железа и уходят из решетки, образуя самостоятельное соединение – цементит Fe3C. Это как в переполненном автобусе: если неудачно стоите, вас выносят с собой на ближайшей остановке.

Читайте так же:
Расчет наплавленного металла при сварке

А теперь к теме статьи – к структурам.

Структуры сталей

В сталях можем видеть следующие структуры:

Естественно, что тема эта очень обширная и ей посвящен не один учебник, а эта классификация затрагивает далеко не все возможные структуры (бейнитный феррит, вырожденный перлит и т.п.), но для общего представления, думаю, достаточно. Для более глубокого понимания и детального изучения, конечно, стоит почитать соответствующую литературу типа [1, 3], на которую я и буду ссылаться далее с приведением конкретных страниц.
Собственно, для того блог и сделан, чтобы упорядочить информацию и всегда иметь под рукой отправные точки — ссылки с указанием страниц, где можно посмотреть более подробно.

Ниже привожу таблицу с определениями и типичными изображениями микроструктур.

[3, стр. 136] Ширина кадра

Вот посложнее [3, стр. 76] :

[3, стр. 141] Ширина кадра

[3, стр. 203] Ширина кадра

[3, стр. 158]. Ширина кадра

[3, стр. 160]. Ширина кадра

[3, стр. 159] Ширина кадра

[3, стр. 182] Ширина кадра

Зернистый бейнит [3, стр. 167] Ширина кадра

Феррит

[3, стр. 141] Ширина кадра

Видманштедтов феррит (белый) [3, стр. 151]. Ширина кадра

Образование феррита начинается по границам зерен переохлажденнного аустенита [3, стр. 6 ]. Как мы уже знаем из статьи про полиморфизм железа , перестройка решетки является энергетически выгодным процессом: свободная энергия феррита меньше свободной энергии аустенита:

Рис. Изменение свободной энергии модификаций железа [1, стр. 146]

Видманштедтов феррит появляется при достаточно быстром охлаждении от температуры выше А3 (см. диаграмму Fe-C), но не таком быстром, чтобы прошло бейнитное или мартенситное превращение. Что-то между. В плоскости шлифа феррит выглядит как иглы (см рис. выше).

Перлит

Образуется при медленном охлаждении сталей с содержанием углерода более 0,02% [3]. Перлит похож на слоистую смесь: чередующиеся пластины феррита и цементита (как фанера). Именно в цементит и уходит углерод при превращении железа из α в γ.

[3, стр. 156] Ширина кадра

160 мкм. Оптический микроскоп.

[3, стр. 156] Ширина кадра

160 мкм. Оптический микроскоп.

Пластинчатый перлит. Однородный по химическому составу аустенит всегда превращается в перлит пластинчатого строения [1, стр. 221]. Например, при термической обработке, когда мы нагреваем сталь от комнатной температуры до относительно высоких температур (выше Ас3), получаем гомогенный (однородный по хим. составу) аустенит, поскольку интенсивно протекают процессы диффузии: атомы растворенных химических элементов идут из мест, где их больше, в места, где их меньше. При медленном охлаждении такого аустенита получим пластинчатый перлит.

Троостит. Появляется при скоростях охлаждения чуть меньше υк (критическая скорость охлаждения по достижении которой начинается мартенситное превращение). Пластинки различимы только в электронном микроскопе, который большие увеличения по сравнению с оптическим микроскопом.

Зернистый перлит. Неоднородный по химическому составу аустенит (где-то больше одного хим. элемента, где-то — другого) превращается в зернистый перлит. Например, при нагреве заэвтектоидной стали (углерода больше 0,8) ниже Ас3 (см. диаграмму железо-углерод ) всегда при последующем охлаждении получим зернистый перлит [ 1, стр. 221 ] .

[3, стр. 159] Ширина кадра

45 мкм. Оптический микроскоп.

Все эти структуры: перлит, сорбит, троостит, зернистый перлит, — имеют одну и ту же природу. Это смеси феррита и цементита. Отличаются они лишь формой и размерами частиц цементита — пластинок или зерен.

Мартенсит

[3, стр. 184] Ширина кадра

160 мкм. Оптический микроскоп.

[3, стр. 183] Ширина кадра

Мы рассмотрели, как протекает медленное превращение. Существует критическая скорость охлаждения стали, при которой (или больше нее) происходит интересная вещь: железо все равно перестраивает свою структуру, но уже не по диффузионному, а по сдвиговому механизму. Сталь резко охладили, и по законам природы вроде бы нужно при меньших температурах иметь другую кристаллическую решетку. Вот она и перестраивается, только резко, и атомы меняют свое положение целыми группами.

Представим ряды солдат (атомы Fe), среди которых стоят гражданские (атомы С).

Солдатам отдан приказ перестроиться в определенную фигуру – и они перестраиваются, а гражданские, ничего не понимая, стоят на месте. Таким образом, структура изменилась, а углерод из нее никуда не делся. В металле не произошло оттока углерода из кристаллической решетки по диффузионному механизму с образованием цементита. То есть теперь мы имеем пресыщенный твердый раствор углерода уже в α -железе, который образовался по бездиффузионному сдвиговому механизму. Это и есть мартенсит. Концентрация углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените.

Получается вот что: углерод остался сидеть в решетке, а превращение прошло, и решетка перестроилась. Что тогда с решеткой-то творится, если в ней места для углерода нет?

А вот что: наш куб (ОЦК) вытягивается и получается параллелепипед. Объем стал больше, и теперь есть где сесть углероду. Кристаллическая решетка уже не ОЦК, а объемоцентрированная тетрагональная (ОЦТ) [ 1, стр. 230 ] .

Мартенсит, согласно [Стр. 232], классифицируют на два основных типа – пластинчатый и реечный.

Бейнит

[3, стр. 167] Ширина кадра

[3, стр. 173] Ширина кадра

Структура, которая образуется по промежуточному механизму (есть следы как сдвигового превращения, так и диффузионного). Рассмотрим ту же аналогию с солдатами и гражданскими лицами. Среди гражданских (атомов C) нашлись те, кто почуял неладное и выбежал из строя (вышли из решетки по диффузионному механизму), а часть – не успели (остались в твердом растворе), солдаты же в это время перестроились по заготовленному сценарию.
Чаще всего бейнит представляет собой смесь феррита в виде реек и цементита или остатков непревращённого аустенита (остаточного аустенита), которые окантовывают эти ферритные рейки.

Аустенит

[3, стр. 136] Хорошо видны термические двойники внутри зерна аустенита, которое даже в кадр не поместилось. Ширина кадра

[3, стр. 183] Ширина кадра

Остаточный аустенит. Аустенит может оставаться в структуре после закалки, потому что не успел превратиться в мартенсит или бейнит:»бейнит и мартенсит часто содержат некоторое количество непревращенного аустенита» [3, стр. 75]. Такой аустенит называется остаточным аустенитом. В простых углеродистых сталях это количество обычно мало, но вот в легированных его уже может быть значительное количество, поскольку многие легирующие элементы, такие как марганец и элементы VIII группы таблицы Менделеева , [3, стр 74], увеличивают устойчивость аустенита.

Аустенит в виде зерен можно увидеть только у сталей с повышенной устойчивостью аустенита (т.е. в которой помимо железа имеется еще высокое содержание легирующих элементов типа хрома и никеля): в этих сталях при быстром охлаждении превращения аустенита в феррит не происходит. У обычных углеродистых или малолегированных сталей при охлаждении мы будем получать феррит, перлит, бейнит или мартенсит в зависимости от скорости охлаждения.

Например, в стали с 18% Сr и 8%Ni быстрым охлаждениемот температур порядка 1100 ° С можно стабилизировать аустенит, который будет существовать и при комнатных температурах. Данное состояние при комнатных температурах не очень-то естественно для металла: мы ведь охладили его быстро, не дав никакого шанса атомам, сидящих в решетке (находящихся в твердом растворе) покинуть аустенит, поэтому металл находится в напряжении. Происходит деформация металла вследствие напряжений сжатия: в решетке зерен сидит углерод, который искажает решетку, а сами зерна давят друг на друга, т.е. каждое зерно подвергается сжатию. Эта деформация сжатия вызывает появление большого количества двойников [3, стр. 112]. Что такое двойники, мы уже знаем из статьи про сложности при определении размера зерна.

Все. Ура! Наконец-то закончил! Надеюсь, статья будет полезной. Если есть замечания, пишите.

Ссылки

1. Гуляев А.П. — Металловедение, М. «Металлургия», 1986, 282 с.

2.Kohlhaas R., Dünner P., Schmitz-Pranghe N. – Z. angew. Phys. 1967. 23. №3. 245-249

3. Металлография железа. Том 1. «Основы металлографии». Перев. с англ. М: «Металлургия», 1972, 240 с.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Упрощенная фазовая диаграмма углерода, заштрихованы области где аллотропные модификации могут быть метастабильны. (diamond — алмаз, graphite — графит, liquid — жидкость, vapor — газ)

Электронное строение атома углерода

Графит и алмаз

Элементарная ячейка (углерода) алмаза

Основные и хорошо изученные алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы плотность на 15—20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость. При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1 200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решеткой типа плотность 3,51 г/см³, т. е. такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.

Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)

Карбин

Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (—C≡C—), либо поликумуленовое (=C=C=). Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68—3,30 г/см³). Карбин встречается в природе в виде минерала Фуллерены и углеродные нанотрубки

Аморфный углерод

Содержание углерода в земной коре 0,1 % по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных известняки и доломиты), горючих ископаемых — антрацит (94—97 % С), бурые угли (64—80 % С), каменные угли (76—95 % С), горючие сланцы (56—78 % С), нефть (82—87 % С), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (53—56 % С), а также атмосфере и диоксида углерода СО2, в воздухе 0,046 % СО2 по массе, в водах рек, морей и океанов в

60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (

Большинство соединений углерода, и прежде всего углеводороды, обладают ярко выраженным характером ковалентных соединений. Прочность простых, двойных и тройных связей атомов С между собой, способность образовывать устойчивые цепи и циклы из атомов С обусловливают существования огромного числа углеродсодержащих соединений, изучаемых органической химией.

Структуры сталей при различных температурах

Реестр кадастровых инженеров на карте

Стали, как указывалось выше, являются сплавами железа с углеродом.

Структуры углеродистых сталей в зависимости от содержания в них углерода, а также структурные превращения, которые происходят в этих сталях при нагреве и медленном охлаждении, изучаются по диаграмме Fe—С.

На рисунке приведена часть диаграммы Fe—С, характеризующая структуры сталей. Диаграмма дана в несколько упрощенном виде.

Прежде чем рассматривать структурные превращения в сталях, выясним, какие структуры в них встречаются при комнатных температурах и при нагреве.

Линии диаграммы определяют температуры, при которых в сталях происходят какие-либо структурные, превращения.

Феррит

Феррит — твердый раствор углерода в железе а. При комнатной температуре в феррите может растворяться не более чем 0,006% углерода.

Если содержание углерода встали больше чем 0,006%, то, кроме феррита, в структуре стали имеются другие структурные составляющие.

Феррит обладает небольшой прочностью и твердостью, но высокой пластичностью. Он имеет хорошие магнитные свойства.

Цементит

Цементит — химическое соединение железа с углеродом, отвечающее формуле Fe3C. Содержание углерода в цементите составляет 6,67% и не изменяется во всем интервале температур, вплоть до температуры плавления.

Цементит является самой твердой структурной составляющей стали. Он имеет высокую прочность, но чрезвычайно хрупок.

Перлит

Перлит — механическая смесь феррита и цементита (после травления эта структура имеет перламутровый отлив).

Перлит бывает пластинчатым (цементит в виде пластинок) и зернистым (цементит в виде зернышек). Твердость перлита выше, чем у феррита, но меньше, чем у цементита.

Аустенит

Аустенит (название дано в честь английского металловеда Аустена) — твердый раствор углерода в железе γ (модификация железа с гранецентрированной кристаллической решеткой). Максимальная растворимость углерода в железе γ составляет 2% при температуре 1130°.

Аустенит имеет невысокую твердость, обладает достаточно высокой прочностью наряду с хорошей пластичностью, большой стойкостью против коррозии, высоким электросопротивлением. Он немагнитен.

Диаграмма железоуглеродистых сплавов

Вернемся к вышеприведенной диаграмме, так линия АС показывает, при каких температурах при охлаждении начнется процесс кристаллизации в стали. Линия АЕ показывает, при каких температурах кристаллизация закончится, т.е. сплав затвердеет.

Из диаграммы видно, что чистое железо кристаллизуется при постоянной температуре (1539°).

Сталь с содержанием С=0,8% кристаллизуется не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Точка 1 определяет температуру начала кристаллизации, точка 2 — температуру конца кристаллизации стали с содержанием С = 0,8%.

Таким образом, при температурах ниже линии АЕ сталь будет находиться в твердом состоянии и структура стали будет аустенит. При этом весь углерод, который в стали имеется, будет растворен в аустените.

Структура аустенита сохранится в стали и при последующем охлаждении до температур, определяемых линиямиGS иSE.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector