Диаграмма fe fe3c кривая охлаждения

В технике наиболее широко применяют сплавы железа с углеродом — стали и чугуны. Поэтому диаграмма состояния железо — углерод име­ет самое важное значение среди диаграмм состояния металлических сплавов. Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе железо — цементит (карбид железа), и стабильная, характеризующая превращения в системе железо — графит.

Основные структурные составляющие сплавов Fe-С приведены на рис. 2.1.

Как отмечалось ранее, железо может находиться в двух аллотропи­ческих формах: Fe_α и Fe_β.

Рис. 2.1. Основные фазы и структурные составляющие в сплавах на основе железа в равновесном состоянии

Твердый раствор внедрения углерода в Fe_α называется ферритом (Ф). Растворимость углерода в Fe_α невелика и составляет от 0,01 % при температуре 0 °С до 0,02 % при температуре 727 °С. Феррит имеет низкую твердость (80 НВ) и прочность (σ_в = 250 МПа), но высокую пластичность (δ ≈ 50 %).

Твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ называется аустенитом (А). Растворимость углерода в Fe_γ значительно больше, чем в Fe_α, и достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. Аустенит в железоугле­родистых сплавах существует только при высоких температурах. Он пластичен и имеет твердость 160. 200 НВ.

Химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C) называется цементитом (Ц). В нем содержится 6,67 % углерода. Он имеет высокую твердость (800 НВ), но практически нулевую пластич­ность (δ ≈ 1 %). Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают.

Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом (П). Перлит содержит 0,8 % углерода и является продуктом распада ау­стенита при 727 °С (200. 250 НВ; δ = 10. 20 %; σ_в = 600. 650 МПа):

Механическая смесь аустенита и цементита при температуре выше 727 °С и перлита и цементита при температуре ниже 727 °С называет­ся ледебуритом (Л). Ледебурит образуется при кристаллизации рас­плава, содержащего 4,3 % углерода, при 1147 °С.

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C представлена на рис. 2.2. Линия ACD — ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия AECF- солидус. Ниже этой линии все сплавы на­ходятся в твердом состоянии. Область существования феррита огра­ничена площадью 0QPG, аустенита — GSEA. На линии DFKL образует­ся цементит, на ECF — ледебурит, на PSK — перлит.

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C очень сложная. Поэтому для под­робного ознакомления с ней и с превращениями, происходящими в железоуглеродистых сплавах, разделим ее на характерные участки, исходя из процентного содержания углерода:

0. 0,8 % — сплав I; 0,8. 2,14 % — сплав II; 2,14. 4,3 % — сплав III; 4,3. 6,67 % — сплав IV.

Сплавы железа с углеродом, содержащие 0. 0,02 % углерода, на­зываются техническим железом, 0,02. 2,14 % -сталями, 2,14. 6,67 % углерода — чугунами.

Рис 2.2. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C

2.2. Участок диаграммы состояния Fe-Fe₃C с концентрацией углерода 0. 2,14 %

Данный участок диаграммы представлен на рис. 2.3, а, а кривые охла­ждения сплавов I и II — на рис. 2.3, б. Сплав I выше точки 1_I находится в жидком состоянии. В точке 1_I из жидкости начинают выделяться кристаллы аустенита. Чтобы убедиться в этом, проведем горизонталь­ную линию через точку а, лежащую ниже точки 1_I, до пересечения с линиями АЕ и АС’ и обозначим соответственно точки а 1 и а 2 . В точ­ке а в равновесии находится жидкая фаза (горизонтальная линия пе­ресекается с линией АС’ в точке а 2 ) и кристаллы аустенита (с линией АЕ в точке а 1 ).

Рыс. 2.3. Часть диаграммы состоянии Fe-Fe3C для сталей (а), кривые охлаждения и структуры сплавов (б) и структурообразование в сплаве с содержанием углерода 0,8 % при температуре точки 4 (в)

При дальнейшем охлаждении сплава I состав жидкой фазы будет меняться по линии а 2 -С’, а состав аустенита — по линии a 1 -2_I. В точке 2_I процесс кристаллизации аустенита заканчивается. От точки 2_I до точки 3_I не происходит никаких превращений, идет процесс охла­ждения аустенита. В точке 2_I и ниже начинает протекать полиморф­ное превращение. Происходит перестройка кристаллической решет­ки железа: Feγ → Feα. В результате из аустенита выделяется феррит. Фазы А + Ф находятся в равновесии, на что указывает проведенная ниже точки 3_I горизонтальная линия.

По мере понижения температуры состав аустенита изменяется по линии GS, а феррита — по линии GP. К моменту достижения темпера­туры 727 °С аустенит содержит 0,8% углерода (точка S) и начинает рас­падаться на механическую смесь, называемую перлитом (рис. 2.3, в). Такое превращение называется эвтектоидным, а линия PSK-линией эвтектоидного превращения. Все сплавы, лежащие до точки S, носят название доэвтектоидных сплавов, за точкой S — заэвтектоидных. Состав эвтектоидного сплава соответствует проекции точки S на ось концентрации. Ниже точки 4_I в равновесии находятся феррит, пере­шедший из области PGS, и перлит, образовавшийся при распаде ау­стенита.

В сплаве II (см. рис. 2.3, а) от точки 1_II до точки 3_II протекают пре­вращения, аналогичные превращениям в сплаве I от точки 1_I до точки 3_I. Ниже точки 3_II из перенасыщенного углеродом аустенита выделя­ется цементит, получивший название вторичного (Ц_II), так как он обра­зуется из твердой фазы. Состав аустенита меняется по мере снижения температуры по линии 3_IIS, являющейся частью линии ES, которая отражает растворимость углерода в аустените. С понижением темпе­ратуры эта растворимость уменьшается. К моменту достижения тем­пературы 727 °С содержание углерода в аустените составляет 0,8 % и он распадается на механическую смесь — перлит. Ниже точки 3_II в равновесии находится смесь А + Ц_II, а ниже точки 4_II — П + Ц_II, при­чем перлит образовался в результате распада аустенита в точке 4_II.

2.3. Участок диаграммы состояния Fe-Fe₃C с концентрацией углерода 2,14. 6,67 %

В сплаве III (рис. 2.4, а, б) между точками 1_III и 2_III из расплава выделя­ются кристаллы аустенита. Состав жидкой фазы изменяется по линии АС и к моменту достижения температуры 1147 °С при содержании углерода 4,3 % (точка C) жидкость распадается на механическую смесь аустенита и цементита — аустенитный ледебурит (рис. 2.4, в).

Такое превращение, протекающее при постоянной температуре (участок 2_III — 2_III‘ на кривой охлаждения сплава III), называется эвтек­тическим, линия ECF — линией эвтектического превращения, а сама механическая смесь — эвтектической. Сплавы, лежащие левее точ­ки С, называются доэвтектическими, правее — заэвтектическими. Эвтектический сплав содержит 4,3 % С.

Рис. 2.4. Часть диаграммы состояния Fe-Fe₃C для белых чугунов (а), структурообразование типовых сплавов, кривые охлаждения и структуры белых чугунов (б) и структурообразование сплава с содержанием углерода 3 % при температуре точки 2 (в)

Между точками 2_III и 3_III из аустенита выделяется вторичный це­ментит (линия ES, рис. 2.2), в этой области в равновесии находятся фазы А + Л + Ц_II = А + (А + Ц) + Ц_II. При температуре 727 °С (участок 3_III — 3_III‘ охлаждения сплава III) аустенит распадается с образованием перлита и ниже точки 3_III в равновесии находятся фазы П + Л + Ц_II.

При этом ледебурит превращается из аустенитного в перлитный (смесь перлита и цементита).

В сплаве IV ниже точки 1_IV из жидкости выделяются кристаллы це­ментита, в чем можно убедиться, проведя горизонтальную линию ни­же точки 1_IV. Состав жидкой фазы изменяется по линии DC. При дос­тижении 1147 °С жидкая фаза, содержащая 4,3 % углерода, распада­ется на механическую смесь аустенита и цементита (ледебурит). Это происходит на участке 2_IV — 2_IV‘ (кривая охлаждения сплава IV). Даль­нейшие превращения аналогичны превращениям в сплаве III.

Сплавы железа с углеродом после окончания всех превращений при температурах ниже 727 °С имеют различную структуру. Их услов­ное изображение и микроструктуры показаны на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Графическое изображение структур (а) и микроструктуры углеродистых сплавов (б): 1 — 0,005 % С, Ф; 2 — 0,15 % С, Ф + П; 3 — 0,35 % С, Ф + П; 4 — 0,8 % С, зер­нистый перлит; 5 — 0,8 % С пластинчатый перлит; 6 — 1,2 % С, П + Ц; 7 — 3 % С, П + Л; 8 — 4,3 % С, Л; 9 — 5 % С, Ц_I + Л

Структура сплава зависит от содержания углерода, с увеличением концентрации которого растет количество цементита. Железоуглеро­дистые сплавы принято классифицировать по равновесной структуре в соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe₃C. Согласно этой клас­сификации, различают стали доэвтектоидные (0,02. 0,8 % С, структура Ф + П); эвтектоидные (0,8 % С, структура — перлит, строение которого может быть пластинчатым или зернистым); заэвтектоидные (8. 2,14 % С, структура — П + Ц_II). Белые чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14. 4,3 % С, структура П + Ц_II + Л); эвтектические (4,3 % С, струк­тура — Л) и заэвтектические (4,3. 6,67 % С, структура – Ц_I + Л).

Для любого сплава с содержанием углерода от 0 до 6,67 % диаграм­ма состояния железо — цементит позволяет проследить за превраще­ниями, происходящими при его нагреве и охлаждении, определить температуру начала и конца плавления (затвердевания) сплава, выяс­нить температурные интервалы фазовых превращений, а также уста­новить зависимость растворимости углерода в феррите и аустените от температуры.

В соответствии с этой диаграммой назначают режимы термической обработки сталей и горячей обработки металлов давлением. Из нее также получают другие необходимые для производства сведения.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Диаграмма состояния железо-углерод (цементит) — это графическое отображение фазового состава и структуры сплавов в зависимости от концентрации углерода и температуры

Содержание

Компоненты в системе "железо-углерод"

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.