Какие фазы содержатся в сплавах железа с углеродом
Вопросы по теории на тему “Изучение зависимости между структурой и свойствами углеродистых сталей и чугунов” по предмету Материаловедение в МГТУ им. Баумана.
1. Какие фазы содержатся в сплавах железа с углеродом, какова кристаллическая структура и свойства этих фаз?
Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.
Феррит – мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: σв =300МПа; δ=40%; Ψ=70%; КСU = 2,5 МДж/м2; НВ 800-1000.
Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Feγ. Имеет ГЦК решетку. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ 1600-2000).
Цементит — карбид железа Fe3C. Содержит 6,69 %С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (НВ 8000) и хрупок.
Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.
2. Что представляет собой эвтектическое превращение в сплавах железа с углеродом?
При 1147°C идёт реакция, в результате которой образуется эвтектика: смесь аустенита и цементита – ледебурит
Эвтектическое превращение на линии ECF (1147°C): ЖC -> [АЕ + Ц] – 4,3% C;
3. Что представляет собой эвтектоидное превращение в сплавах железа с углеродом?
Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С): AS -> [ФР + Ц]. Феррит + цементит – Перлит – 0,8% C.
4. Каким образом появляется цементит в сплавах железа с углеродом? Укажите все пути образования цементита.
При изотермическом превращении:
Эвтектическое превращение: Ледебурит – смесь Аустенита и Цементита
Эвтектоидное превращение: Перлит – смесь Феррита и Цементита
При охлаждении: при температуре 20-25°С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита.
5. Что такое перлит, как он образуется, каковы его свойства.
Перлит – смесь двух фаз, образующихся при эвтектоидном превращении, в результате которого из аустенита выделяются феррит и цементит. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σв = 800-900 МПа; σ0,2 = 450 МПа; δ≤16%; НВ 1800-2200.
6. Что представляет собой вторичный цементит, как он образуется, каким образом влияет на свойства сплавов железа с углеродом?
По мере уменьшения концентрации в твердом растворе α компонент В вы падает в виде твердого раствора β-состава. Выпадающие кристаллы твердого раствора β называют вторичными и обозначают βII; этим подчеркивают, что они выпали из твердого раствора, а не из жидкого.
Образуется в заэвтектоидной стали. Выделение из аустенита вторичного цементита предшествует эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3—4. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой.
7. Чем стали отличаются от чугунов? Какие структурные составляющие в до- и заэвтектоидных сталях и в доэвтектических белых чугунах?
Стали отличаются от чугунов большим процентным содержанием углерода. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14% называют чугунами. Сталь более прочна и тверда, чугун более хрупок, обладает высокими литейными свойствами, достаточной прочностью, износостойкостью.
Диаграмма делится на области по содержанию углерода: 0–2,14% – сталь (0–0,8% – доэвтектоидная сталь, 0,8–2,14% – заэвтектоидная сталь); 2,14–6,67% – чугун (2,14–4,3% – доэвтектический чугун, 4,3–6,67% – заэвтектический чугун).
8. Какие чугуны являются белыми? Чем характеризуются свойства этих чугунов, как они практически используются?
В сплавах с содержанием углерода более 2,14% при кристаллизации происходит эвтектическое превращение. Такие сплавы называют белыми чугунами. Чугун обладает высокими литейными свойствами, достаточной прочностью, износостойкостью, а также относительной дешевизной. Их используют для производства качественных отливок сложной формы при отсутствии жестких требований к габаритам и массе деталей.
9. Какие чугуны являются серыми? Чем они отличаются от белых чугунов? Какие структурные составляющие содержатся в серых чугунах? В чем состоят преимущества и недостатки серых чугунов? Как маркируют серые чугуны? Как их используют?
Серыми называют чугуны с пластинчатой формой графита. По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные. Обычные серые чугуны-сплавы сложного состава, содержащие основные элементы: Fe-C-Si и постоянные примеси: Mn, Р и S. Содержание этих примесей в серых чугунах колеблется в следующих пределах: 2,2-3,7% С; 1-3% Si; 0,2-1,1% Mn; 0,02-0,3% Р и 0,02-0,15% S.
Структурная диаграмма чугунов в зависимости от содержания кремния и углерода.
I — белый чугун; II — половинчатый чугун; III, IIIа, IIIб — серый перлитный (перлит + графит), ферритно-перлитный (феррит + перлит + графит) и ферритный (феррит + графит) чугун соответственно.
Серый чугун плохо сопротивляется растяжению, имеет низкие прочность и пластичность. Марка серого чугуна состоит из букв СЧ и цифры, показывающей значение временного сопротивления при растяжении. Чугун целесообразнее использовать для деталей, работающих на сжатие.
10. Что представляет собой графитизация чугунов, от каких факторов она зависит? Какой может быть структура металлической основы серых чугунов и как получить желаемую структуру?
На графитизацию чугунов влияют содержащиеся в них элементы: Fe-C-Si и постоянные примеси: Mn, Р и S. В небольших количествах в обычных серых чугунах может содержаться Сг, Ni и Сu. Степень графитизации в чугуне возрастает с увеличением со держания углерода и кремния. Элементами, затрудняющими графитизацию (отбеливающими), являются марганец, сера, хром.
Основные элементы, которыми регулируют структуру металлической основы серого чугуна – углерод и кремний. Кроме химического состава, структура чугуна и его свойства зависят от технологических факторов, например скорости охлаждения.
11. От каких факторов зависит прочность серых чугунов? Как влияют графитные включения на механические свойства серых чугунов?
Ухудшая механические свойства, графит в то же время придает чугуну ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при обработке резанием, оказывает смазывающее действие и, следовательно, повышает износостойкость чугуна, придает ему демпфирующую способность. Кроме того, пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность чугуна к дефектам поверхности.
Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и, главным образом, количества, формы и размеров графитных включений. Прочность, твердость и износостойкость чугунов растут с увеличением количества перлита в металлической основе. Решающее влияние графита обусловлено тем, что его пластинки, прочность которых ничтожно мала, дей ствуют как надрезы или трещины.
12. Какую форму графита содержат высокопрочные чугуны? Как обычный чугун сделать высокопрочным? Какую структуру имеет металлическая основа этого чугуна? В чем состоят преимущества и недостатки высокопрочных чугунов? Как маркируют высокопрочные чугуны? Как их используют?
Высоко прочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02-0,08%. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным или перлитным.
Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Маркируют высокопрочные чугуны по пределу прочности и относительному удлинению (ВЧ + цифра).
Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники. Из них изготовляют оборудование прокатных станов, корпуса паровой турбины, коленчатые валы, поршни и многие другие ответственные детали, работающие при высоких циклических на грузках и в условиях изнашивания.
13. Какие чугуны являются ковкими? Какую форму графита содержат ковкие чугуны? Как формируется структура ковкого чугуна? Как происходит графитизация при отжиге белого чугуна? В чем состоят преимущества и недостатки ковких чугунов? Как маркируют ковкие чугуны? Как их используют?
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.
В процессе продолжительной (10-15 ч) выдержки при температуре несколько ниже эвтектической — 950 — 1000 °С происходит первая стадия графитизации. Затем температуру медленно снижают. При этом происходит промежуточная стадия графитизации. Вторая стадия графитизации протекает или при весьма медленном охлаждении в эвтектоидном интервале температур, или при длительной выдержке (25-30 ч) несколько ниже температуры эвтектоидного превращения (720-740 °С).
В результате такого отжига продолжительностью 70-80 ч весь углерод выделяется в свободном состоянии и формируется структура, состоящая из феррита и углерода отжига.
От сутствие литейных напряжений, которые полностью снимаются во время отжига, компактная форма и изолированность графитных включений обусловливают высокие механические свойства ковких чугунов. Недостаток ковких чугунов – повышенная стоимость. Маркировка: КЧ + цифра (σв – δ)
14. Чем объясняется различие механических свойств серого, высокопрочного и ковкого чугуна?
Различие механических свойств серого, высокопрочного и ковкого чугуна объясняются структурой металлической основы, количеством, формой и размером графитных включений.
Источник
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 Feαявляется 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/v2; 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 <0,02% (технически чистое железо) после отжига. х100
Сплав с содержанием 0,8% С называется эвтектоидной сталью. В нем при температуре 7270С 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.
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 %.
Рис. 5.4. Микроструктуры доэвтектоидных сталей после отжига.
100х (а, в, д ), и 1000х (б, г, е).
Источник
Мы уже начинали рассматривать диаграммы состояния в этой публикации и там разобрали основные понятия, которые важно осмыслить, прежде, чем вникать в тему более глубоко. Но тут меня попросили разобрать диаграмму состояния железо-углерод (её ещё частенько называют железо-цементит). Ну что же, запасаемся попкорном и пытаемся вместе разобраться в этом крокодиле…
Диаграмма состояния железо-углерод, в том или ином количестве, встречается всем инженерам. Изучают её на курсе материаловедения, а прослушивают этот курс все технари. В большинстве случаев, изучение этой темы превращается в кошмар. Особенно, когда тебя просят нарисовать этот кошмар по памяти на листочке. Но главный вопрос – почему именно эта диаграмма? Ответ простой. На диаграмме железо-углерод есть большая часть сложных моментов, которые вообще встречаются на диаграммах состояния. От того, поняв её мы разберемся и со всеми основами чтения диаграмм. Кроме всего этого, сплавы железа всё ещё продолжают заниматься лидирующее положение среди конструкционных материалов. Поэтому, вперёд друзья.
Как мы помним, диаграмма состояния – это график фазовых состояний в зависимости от концентрации каждого химического элемента и температуры.
Значит, диаграмма железо-углерод – это отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химсостава и температуры.
Это нужно для того, чтобы мы, зная химический состав стали и температуру системы, могли понять, какой фазовый состав будем иметь. Знания эти необходимы для того, чтобы выбрать правильный режим термической обработки или подобрать вариант механической обработки (ведь зная фазовый состав мы уже примерно представляем свойства).
Вот, собственно, и всё, что нужно знать про диаграмму :)…Теперь остается научиться её читать. И с этим есть масса сложностей.
Вот диаграмма железо-углерод на рисунке ниже. И что это? А мы не понимаем, что это :)! Давайте разбираться, ибо сейчас оно выглядит скорее как клетчатый листочек с нарисованным динозавром.
По оси ординат у нас обозначены температуры системы. По оси абцисс – химические составы.
Максимальная температура системы ограничивается температурами плавления компонентов. Выше идёт только жидкость. Но про фазы чуть позднее.
Слева у нас феррит. Справа – углерод. Количество углерода растёт слева направо.
Обратите внимание и на нижнюю шкалу, где отложен Fe3C.
Это цементит. Его количество также увеличивается слева направо. Цементит – это карбид железа или химическое соединение железа с углеродом. Но есть подлянка, куда же без неё :)…Максимальное количество углерода в этой системе у нас 6,67%. А вот цементита будет 100%. Процентное содержание цементита не соответствует проценту углерода.
Это появилось из-за того, что в системе железо-углерод в целом возможно максимальное содержание углерода 6,67% на физическом уровне.
И вот тут внимание! Чистое железо (альфа-железо) у нас на диаграмме есть только в крайней левой точке. Этот вопрос любят задавать на защитах. Всё что дальше вправо – это феррит. А феррит, как мы помним, это твёрдый раствор углерода в альфа железе. Или, сплав железа с углеродом.
На диаграмме мы видим и сталь, и чугун. Их отличие в том, что сталь – это содержание углерода в сплаве с железом от 0,02 до 2,14%. Чугун – тот же сплав железа с углеродом, но с содержанием от 2,14% углерода.
Фазы на диаграмме
Само собой, из диаграммы состояния можно узнать фазовый состав. Или на кой чёрт она бы ещё сдалась 🙂 Тут мы видим следующие фазы.
- Жидкая фаза – это коктейль, который получается, если всё расплавить. Обращаем внимание, что при разных химических составах мы имеем разные температуры плавления.
- Феррит – уже обсудили, что это твердый раствор внедрения углерода в альфа железо.
- Аустенит – это твёрдый раствор внедрения углерода в гамма железо.
- Цементит – тоже уже обсудили. Химическое соединение железа с углеродом. Максимальная концентрация углерода в цементите 6,67% по массе и это предельная для железоуглеродистых сплавов концентрация.
- Графит – это фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Он выделяется в системе железо-углерод при определенных условиях.
Сразу отмечу, что на этом фазы заканчиваются. Преподы любят заваливать на подобных вопросах. Фаз на диаграмме у нас больше нет, зато есть кое-что ещё. Об этом далее.
Наверняка возникает вопрос что это за альфа-железо и за гамма-железо. Это так называемый полиморфизм. Химический состав один, а вид кристаллической решетки разный.
На самой же диаграмме есть ещё всякие буковки. И если буквы А (аустенит), Ж (жидкость), Ц (цементит), то всё ясно. Но ещё есть буквы Л и П. Что это такое?
Структуры на диаграмме
Л – это ледебурит. Так называется особенная структура, характерная преимущественно для чугунов. Представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Её же можно назвать механической смесью.
П – это перлит. Ещё одна структура, которая представлена эвтектоидной смесью из тонких пластинок феррита и цементита.
Новые слова для нас эвтектическая и эветктоидная. Эвтектическая в данном случае означает образование гетерогенной структуры сплава. Эвтектоидная – по сути тоже самое, только образуется изначально не из жидких фаз, а из твердых.
Эветктика же, это точка, в которой находятся в термодинамическом равновесии n – твёрдых фаз и жидкая фаза. Жидкая эвтектика кристаллизуется при температуре более низкой, чем температура кристаллизации каждого из веществ, входящих в состав смеси. Температура плавления твёрдой эвтектики — самая низкая для данной смеси компонентов.
Что происходит на диаграмме железо-углерод
Теперь самое веселое. Вроде бы всё, что вокруг на диаграмме есть, мы проанализировали. Остается понять что во что и когда превращается 🙂
Ну, мы уже поняли, что отправная точка – это температура. Греем систему из железа и углерода и видим изменения.
На диаграмме мы видим многочисленные линии ликвидуса и солидуса. Это линии, по которым идёт плавление и кристаллизация соответственно.
Удобно пользоваться следующей картинкой. Здесь расставлены все фазы и структуры.
Если путешествовать по линиям, то видим протекающие процессы.
Всё, что выше линий ABCD – жидкая фаза. Значит это линия ликвидус. Выше неё только жидкая фаза. Дальше работаем по правилу фаз Гиббса. Линию солидус найти сложнее. Ниже неё только твердая фаза. Тут солидусов несколько.
Не знаю, стоит ли досконально разбирать каждую линию. Если у вас есть вопросы, задавайте их в комментариях и я дополню материалы.
Сейчас же попробую обобщить всё одной фразой. Читаем внимательно. Диаграмма состояния железо-углерод, с размеченными областями, как показано на рисунке выше, указывает нам фазовые и структурные состояния, которые мы имеем в системе при данных параметрах (температура и химсостав). Линии указывают начало или конец процесса кристаллизации или плавления. Всё! Другого секрета тут нет.
Как пользоваться диаграммой железо-углерод
Часто преподы гасят студентов вопросами про использование диаграммы состояния. Ученик не понимает, как диаграммой пользоваться и зачем её вообще нужно изучать. Рассмотрим типичную задачу.
Нужно нам изучить состояния сплава, содержащего 0,4% углерода в своем составе. Имеем дело с обычной сталью.
Поднимаем перпендикуляр из точки, соответствующей количеству углерода в 0,4%.
Видим, что система, в диапазоне от 0 до 700 градусов, представляет собой твердую смесь перлита и цементита. В точке 4 происходит переход и в диапазоне от 700 до 800 градусов и мы попадаем в зону аустенита и феррита.
В диапазоне от 800 до 1450 градусов сплав имеет состав аустенита, а переход состоялся в точке 3.
В диапазоне от 1450 до 1520 градусов рассматриваемый сплав начинает постепенно плавиться и представлен аустенитом и жидким раствором. Переход происходил в точке 2.
Ну и всё что выше – это уже жидкость, где произошла гомогенизация. Вот такие данные можно выцепить.
Часто возникают вопросы, что именно происходит в точках перехода (которые у нас отмечены 1,2,3 и 4). Там мы имеем адский коктейль. Нестабильную смесь. Например, в точке 4 будет месиво из феррита, перлита и аустенита. Пропорции тут можно определить только лабораторным испытанием.
Ещё может появиться вопрос, а что у нас, например, на отрезке 2 – 3. Тут ответ очевиден – там 100% аустенита. Т.е. 0,4% углерода внедрились в структуру гамма железа и застыли.
Сложнее ситуация на отрезках, типа 0 – 4. Там у нас феррит + перлит. Но чего сколько? Ответ кроется в понимании характерных точек. Перлит у нас в точке S. Значит, просто смотрим насколько далеко точка 4 от точки S.
Характерные точки на диаграмме железо-углерод
В системе железо-углерод происходит невероятное количество превращений. Несколько мы уже обсудили. Но систематизируем все знания.
В точка N и G – мы наблюдаем полиморфное превращение. Происходит смена типа кристаллической решетки. Сначала с альфа-железа на гамма-железо, потом наоборот.
Точка C – это эвтектическое превращение со структурой ледебурит. Вопрос эвтектики мы описали чуть выше.
Точка S – это эвтектоидное превращение, имеем в структуре чистый перлит и запоминаем циферку 0,8% углерода.
Точка H – это перитектическое превращение. Взаимодействие кристаллов твердого раствора с жидкостью, происходящий при постоянной температуре и постоянной концентрации фаз, приводящее к образованию кристаллов другого твердого раствора.
—————-
Итак, я постарался изложить основные моменты, которые могут помочь вам в освоении сложного материала. Считать статью исчерпывающей не стоит, поскольку очень многое осталось в тени. Я исходил из того, что чаще всего спрашивают при обучении и из того, где чаще всего есть пробелы в понимании. Если вопросы остались – задавайте ;)!
Источник