Практическое значение диаграммы железо цементит кратко

Обновлено: 07.07.2024

Диаграмму системы железо-углерод можно проанализировать только до образования в ней карбида железа - Fе₃С – концентрация углерода 6,67 %. Это связано с тем, что наибольшее практическое значение имеет только часть диаграммы состояния железо-углерод, в которой показано формирование цементита, так как сплавы, содержащие большее количество углерода, очень хрупкие и практически не применяются в промышленности. Поэтому диаграмму состояния системы железо-углерод изображают только до концентрации углерода 6,67 % масс и называют диаграммой состояний железо-цементит (рис.6).

Рис.6. Диаграмма железо-углерод

Кривая АВСD - линия ликвидус, которая на участке АВ соответствует температурам начала выпадения кристаллов феррита (a), а на участке ВС соответствует температурам начала выпадения кристаллов аустенита (g) из жидкого сплава (L). В области СD – она представляет геометрическое место точек, отвечающих температурам начала кристаллизации первичного цементита (Fe₃С_I) из жидкой фазы (L).

Линия АHJЕСFD - солидус, криволинейный участок АHJЕ которой, определяет окончание затвердевания жидкой фазы.

Линии NH и NJ отражают начало и конец полиморфного превращения аустенита и d-феррита, а линии GS и GP соответственно начало и конец полиморфного превращения аустенита и a-феррита.

Кривые DC, ES и PQ показывают на ограничение максимальной растворимости углерода в фазовых составляющих железоуглеродистых сплавов. Эти линии определяют максимальную растворимость углерода в той фазе, которая расположена на диаграмме левее данной кривой. Это значит, что DC характеризует предельную концентрацию углерода в жидкости; ES в аустените g; PQ в феррите a. При понижении температуры системы меньше точек растворимости углерода из фазы, находящейся слева от соответствующей им кривой, выделяется избыток углерода, образуя цементит первичный, вторичный и третичный соответственно.

На горизонтальной линии HJВ происходит нонвариантная реакция с участием трех фаз образования аустенита из жидкости и феррита.

Горизонтальный участок ECF является геометрическим местом точек, соответствующих также концу кристаллизации аустенита (ЕС)и первичного цементита - Fe₃C_I (CF), и одновременно отвечает температурам изотермического превращения жидкого сплава состава точки С в двухфазную эвтектику – ледебурит.

Данная реакция наблюдается только у сплавов с содержанием углерода более 2,14 % масс.

В системе железо – углерод эвтектика содержит 4,3%С и кристаллизуется при температуре 1147ºC. Она представляет собой смесь кристаллов аустенита и цементита и называется ледебурит (в честь австрийского ученого-металлурга Ледебура).

Ледебурит - образуется в процессе эвтектического превращения по реакции

По своей структуре он представляет собой чередующиеся пластинки аустенита и цементита. При температурах ниже 727°С аустенит в этой смеси изотермически превращается в перлит. Ледебурит такого состава называется низкотемпературным. Микроструктура ледебурита представлена на рис.7.

Рис.7 Микроструктура ледебурита

На горизонтальной линии PSK происходит нонвариантная реакция с участием трех фаз образования перлита из аустенита.

Перлит – смесь пластин феррита и цементита образующаяся при 727°С. по реакции

Он имеет перламутровый цвет (отсюда и название), концентрация углерода в нем - 0,8 % масс. Структура его также как и ледебурита состоит из следующих друг за другом пластинок феррита и цементита (рис.8).

Перлит имеет наиболее удачное сочетание механических свойств из всех равновесных структур в сплавах железа с углеродом. В нем мягкие, вязкие пластины феррита чередуются с прочными, твердыми, жесткими пластинами цементита: П = Ф + Ц (рис.8). Такая структура хорошо сопротивляется самым разным механическим нагрузкам, обладает высокой прочностью и достаточной вязкостью. Твердость перлита составляет 180-220 HB, в зависимости от размера зерна.

Рис.8 Микроструктура перлита и цементита вторичного.

Диаграмму состояния Fе - Fе₃С по оси абсцисс – концентрация углерода – делят на следующие участки:

0 - 0,02 % (точка Р)- технически чистое железо;

0,02 - 0,80 % (отрезок PS) - доэвтектоидные стали;

0,80 % (точка S) - эвтектоиднаясталь;

0,80 - 2,14 % - заэвтектоидные стали;

2,14 - 4,31 % (отрезок EC) - доэвтектические чугуны;

4,31 % (точка С) - эвтектический чугун;

4,31 - 6,67 % (отрезок CF) - заэвтектические чугуны.

Рис.6. Диаграмма железо-углерод

Линия АHJЕСFD - солидус, криволинейный участок АHJЕ которой, определяет окончание затвердевания жидкой фазы.

Данная реакция наблюдается только у сплавов с содержанием углерода более 2,14 % масс.

Ледебурит - образуется в процессе эвтектического превращения по реакции

Рис.7 Микроструктура ледебурита

Перлит – смесь пластин феррита и цементита образующаяся при 727°С. по реакции

Рис.8 Микроструктура перлита и цементита вторичного.

Диаграмму состояния Fе - Fе₃С по оси абсцисс – концентрация углерода – делят на следующие участки:

Основоположником учения о связи диаграмм состояния со свойствами сплавов является академик Н.С. Курнаков. В общем виде зависимость свойств от химического состава сплава (типа диаграммы) приведена на рис. 10.

В сплавах, компоненты которых не растворяются друг в друге и не образу-ют химических соединений, свойства изменяются в основном прямолинейно. В сплавах, имеющих структуру твердых растворов, свойства изменяются по криволинейной зависимости, то есть более существенно, чем для сплавов, имеющих структуру смеси кристаллов. При образовании химических соединений на графике отмечается характерный перелом. Это объясняется тем, что химические соединения обладают индивидуальными свойствами, обычно резко отличающимися от свойств образующих их компонентов.

Закономерности, обнаруженные Н. С. Курнаковым, являются основой при разработке составов сплавов с заданными свойствами. Следует отметить, что указанные закономерности справедливы для оценки не только механических, но и физических, а также многих технологических свойств сплавов. Так, например, для системы А–В, диаграмма состояния которой представлена на рис. 11, можно следующим образом прогнозировать свойства сплавов по сравнению с заранее известными свойствами чистых компонентов:

а) твердость, прочность и электросопротивление твердых растворов  и  выше, чем у чистых металлов (кривые 1 и 2, отрезки аб и вг);

б) электропроводность и температурный коэффициент электросопротив- ления у твердых растворов ниже, чем у чистых металлов (кривые 3 и 4, отрезки аб и вг);

в) литейные свойства лучше у эвтектического сплава (кривые 5 и 6). Известно, что технологические литейные свойства, определяющие способность сплава при затвердевании давать высококачественные слитки или отливки, зависят от жидкотекучести, склонности к образованию трещин внутри и на поверхности слитков, возможности формирования концентрированной усадочной раковины.

Жидкотекучесть – это способность расплава заполнять литейную форму сложной конфигурации. Чем больше температурный интервал кристаллизации, тем ниже жидкотекучесть; одновременно увеличивается склонность образовывать трещины и мелкую пористость, рассеянную по всему объему

отливки, что нередко выводит литье в брак. Поэтому однофазные сплавы со структурой твердого раствора, особенно сплавы, составы которых находятся близко к предельным точкам С и D, обладают плохими литейными свойствами и непригодны для фасонного литья. Однако эти сплавы имеют высокое сопротивление коррозии и хорошую технологическую пластичность, необходимую для изготовления деталей методами обработки металлов давлением (прокатка, прессование, ковка и др.). Пластичность сильно понижается при появлении в структуре эвтектики.

Таким образом, диаграммы состояния позволяют на научной основе предвидеть поведение сплавов и выбирать материалы в зависимости от их назначения.

Тема 4. Диаграмма состояния железо–цементит

Основой науки о стали и чугуне является диаграмма системы сплавов железо–углерод. Железо с углеродом образуют три химических соединения: Fe₃C, Fe₂C, FeC. Однако практическое значение имеют сплавы, содержащие не более 5 % углерода, поэтому рассматривают лишь первую часть общей диаграммы: систему железо–цементит (рис. 12).

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие:

феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в -железе, кристаллическая решетка ОЦК. Растворимость углерода в -железе мала (область на диаграмме GPQ). Механические свойства: _В = 250 Н/мм 2 ; _0,2 = = 120 Н/мм 2 ;  = 50 %; KCU = 2,5 МДж/м 2 ; твердость 80 НВ;

аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в -железе. Он имеет решетку ГЦК, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в -железе значительно больше (область на диаграмме GSE) и достигает 2,14 % при 1147 С. Аустенит пластичен ( = = 40…50 %), но прочнее феррита (160…200 НВ);

цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа

Fe₃C, содержит 6,67 % углерода. Цементит твердый ( 800 НВ) и хрупкий;

перлит (П) – двухфазная структура, состоящая из феррита и цементита (эвтектоид), содержит 0,8 % углерода. Перлит может быть пластинчатым или зернистым в зависимости от формы цементита (пластинки или глобулярные частицы). Свойства зернистого перлита: _В = 800 Н/мм 2 ;  = 15 %; твердость 160 НВ. Пластинчатый перлит имеет твердость до 200 НВ. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита;

ледебурит (Л) – эвтектика, образуется во время затвердевания расплава при температуре 1147 С, содержит 4,3 % углерода. Различают высокотемпера-турный ледебурит (смесь аустенита и цементита) и низкотемпературный ледебурит (смесь перлита и цементита). Ледебурит имеет твердость 600 НВ и высокую хрупкость.

Сплавы с содержанием углерода до 2,14 % называют сталями, а от 2,14 до 6,67 % углерода – чугунами. Стали при нагреве можно перевести в одно-фазное состояние, которое обладает высокой пластичностью. Поэтому стали в горячем состоянии хорошо поддаются обработке давлением: прокатке, ковке, штамповке. Чугуны при нагреве не дают однофазной структуры вплоть до плавления. Ледебуритная эвтектика, присутствующая в структуре, затрудняет обработку резанием и давлением. В то же время наличие эвтектики улучшает литейные свойства. Поэтому чугуны относятся к литейным материалам.

С помощью диаграммы железо–цементит можно определить фазовый состав и структуру сталей и чугунов, а также описать превращения, происходящие в любом сплаве при затвердевании.

Пример. Для сплава, содержащего 1,8 % углерода, определить процентное содержание углерода в фазах и количественное соотношение фаз при температуре 850 С.

Решение. Для решения этой задачи найдем на рис. 12 точку О, соответствующую заданному составу и температуре. В структуре сплава в этих условиях будут две однофазные составляющие, то есть две фазы: аустенит и цементит. Для определения состава и количества фаз при рассматриваемой температуре необходимо через данную точку О провести горизонтальную линию, параллельную оси концентрации, до пересечения с ближайшими сплошными линиями диаграммы состояния (линия ES и вертикальная ось). Эта линия называется конодой. Точка пересечения коноды с линией ES, спроектированная на ось концентраций, показывает состав аустенита

(концентрацию углерода в аустените), а точка пересечения с вертикальной осью – состав цементита. Таким образом, в аустените содержится 1,5 % С, в цементите  6,67 % С.

Для определения количественного соотношения фаз воспользуемся правилом отрезков. Конода делится конкретным составом сплава на два отрезка. Для определения количества аустенита нужно взять отношение длины отрезка, противоположного составу данной фазы, к длине всей коноды:

количество аустенита = ON/MN100 % =

= (6,67 – 1,8) / (6,67– 1,5) 100 % = 94 %;

количество цементита = 100 % 94 % = 6 %.

Температуры, при которых происходят фазовые превращения, называются критическими точками. Они обозначаются буквой А с индексами: с – для нагрева, r – для охлаждения. Характеристика основных критических точек железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии приведена в табл. 2.

Диаграмма состояния сплавов Fe - Fe₃C (железо-цементит) используется, для нахождения и теоретического обоснования оптимального температурного режима обработки стали и чугуна (рисунок).
В металлургическом и литейном производстве устанавливаются температуры плавления и кристаллизации стали и чугуна с различным процентным содержанием углерода. В кузнечно - штамповочном и прокатном производстве при горячей обработке стали давлением устанавливается рациональный интервал температур такой обработки, а также границы температур "пережога" стали. В термическом производстве устанавливается температура нагрева при отжиге, закалке и отпуске изделий из стали и >чугунa.

Современную промышленность сложно представить без использования различного вида металлических сплавов, в том числе и стальных. Разработкой их составов занимаются ученые – металлурги в разных странах, но для прогнозирования свойств будущих сплавов, большая часть специалистов руководствуется диаграммой железо – углерод. Она дает четкое представление о том, как устроено большинство стальных сплавов и чугунов.

Диаграмма содержит в себе некоторое количество линий и критичных точек, обозначающих состояние расплава при определенном нагреве.

Классификация железоуглеродистых сплавов

Различные комбинации этих элементов приводят к получению большого количества сплавов, которые можно разделить на три большие группы:

Техническое железо.
Стали.
Чугуны.

К техническому железу относят материалы, в которых содержится менее 0,02% углерода. К сталям относят, материалы, в которых углерод находится в пределах от 0,02 до 2,14%. И в группу чугунов входят материалы, количество углерода в которых превышает 2,14%.

Компоненты в системе железо углерод

Аустенит

Атомы размещается в гранецентрированной ячейке. Твердость аустенита имеет твердость 200 … 250 единиц по Бринеллю. Кроме того у него хорошая пластичность и он отличается парамагнитностью.

Железо

Железо – это материал, относящийся к металлам. Его натуральный цвет – серебристо-серый. В чистом виде он очень пластичен. Его удельный вес составляет 7,86 г/куб. см. Температура плавления составляет 1539 °C. На практике чаще всего применяют техническое железо, в составе которого присутствуют следующие примеси – марганец, кремний и многие другие. Массовая доля примесей не превышает 0,1%.

У железа есть такое свойство как полиформизм. То есть, при одном и том же химическом составе, это вещество может иметь разную структуру кристаллической решетки и соответственно разные свойства. Модификации железа называют соответственно – Б, Г, Д. Все эти модификации существуют при разных условиях. Например, тип Б, может существовать только при температуре 911 °С. Тип Г может существовать в диапазоне от 911 до 1392 °С. Тип Д существует в диапазоне от 1392 до 1539 °С.

Каждый из типов обладает своей формой кристаллической решеткой, например, у типа Б решетка представляет собой куб, решетка типа Г имеет гранецентрированную кубическую форму. Решетка типа Д, имеет форму объемно центрированного куба.

Еще одно свойство состоит в том, что при температуре ниже 768 железо ферримагнитно, а при ее повышении это свойство теряется.

Точки полиморфной и магнитной трансформации называют критическими. На таблице они обозначены следующим образом – А2, А3, А4. Цифровые индексы показывают тип трансформации. Для более полного различия превращения железа из одного вида в другой к обозначению добавляют индексы с и r. Первый говорит о нагреве, второй об охлаждении.

Полиморфные модификации железа

При высоких параметрах пластичности, железо не обладает высокой твердостью, по шкале Бринелля она равна 80 единиц.

Железо имеет возможность образовывать твердые растворы. Их можно разделить на две группы – раствор замещения и внедрения. Первые состоят их железа и других металлов, вторые из железа и углерода, водорода и азота.

Углерод

Другой компонент системы – углерод. Это – неметалл и он обладает тремя модификациями в виде алмаза, графита и угля. Он плавится при 3500 °С.

Аллотропные модификации углерода

В сплаве железа, этот элемент находится в виде твердого раствора, его называют цементит или в виде графита. В таком виде он присутствует в сером чугуне. Графит, не отличается ни пластичностью, ни прочностью.

Цементит

Доля углерода составляет 6,67%. Он обладает высокой твердостью – 800 НВ, но при этом у него отсутствует пластичность. Полиморфными свойствами не обладает.

Он обладает следующим свойством – при формировании раствора замещения, углерод может быть заменен на атомы других веществ, например, на хром или никель. Такой раствор получил название легированного раствора.

Он не обладает устойчивостью, при наличии некоторых условий он может разлагаться, при этом происходит трансформация углерода в графит. Это свойство нашло применение при образовании чугунов.

Кстати, в жидком состоянии, железо может растворять в себе примеси, при этом образуя, однородная масса.

Феррит

Так называют твердый раствор, при котором происходит внедрение углерода в железо.

Он растворяется с определенной переменностью, при нормальной (комнатной) температуре объем углерода лежит в пределах 0,006%, при 727 °С, то концентрация углерода составит 0,02%. По достижении 1392 °С образуется феррит.

Содержание углерода составит 0,1%. Его атомы размещаются в дефектных узлах решетки.

Феррит по своим параметрам близок к железу.

Аустенит в сталях

Наличие аустенита в стальных сплавах придает им определенные свойства. Детали и узлы, произведенные из подобных сталей, предназначаются для работы в средах, содержащие агрессивные компоненты, например, на предприятиях, перерабатывающих разные кислоты.

Стали этого класса отличаются высоким уровнем легирования, во время кристаллизации формируется гранецентрированная решетка. Такая структура не подвержена изменению даже под воздействием глубокого холода.

Стали этого типа можно разделить на два типа отличающиеся друг от друга составом. В первых, содержатся такие вещества как железо, никель, хром. При этом общее количество добавок не может превышать 55%. Ко второй группе относят никелевые и железоникелевые композиции. В никелевых композициях, его содержание превышает 55%. В железоникелевых составах соотношение никеля и железа составляет 1:5, а количество никеля начинается от 65%.

Такое количество никеля обеспечивает повышенную пластичность, а хром, в свою очередь обеспечивает высокую коррозионную стойкость и жаропрочность. Применение других легирующих материалов позволяет выплавлять сплавы с уникальными эксплуатационными свойствами. Металлурги, составляя рецептуру сплавов, руководствуются будущим назначением сталей.

Для получения легированный сталей применяют ферритизаторы, которые придают постоянство аустенитам, к таким веществам относят ниобий, кремний и некоторые другие. Кроме них применяют углерод, марганец – их называют аустенизаторами.

Цементит: формы существования

Так называют соединение углерода и железа. Это компонент чугуна и некоторых сталей. В него входит 6,67% углерода.

В его кристалл входит несколько октаэдров, они расположены друг по отношению к другу с некоторым углом. Внутри каждого из них расположен атом углерода. В результате такого построения получается следующая картина – один атом вступает в связь с несколькими атомами железа, а железо в свою очередь связано с тремя атомами этого элемента.

Кристаллическая решетка цементита

У этого вещества имеются все свойства, которые присущи металлам – электропроводность, своеобразным блеском, высокая теплопроводность. То есть, смесь железа и углерода, ведет себя как металл. Этот материал обладает определенной хрупкостью. Большая часть его свойств определена сложным строением кристаллической решетки.

Этот материал плавится при 1600 градусах Цельсия. Но на этот счет существует несколько мнений, одни исследователи считают, что его температура плавления лежит в диапазоне от 1200 до 1450, другие определяют, что верхний уровень равен 1300 °С.

Первичный цементит

Металлурги разделяют три типа этого вещества – первичный, вторичный, третичный.

Первичный, получается из жидкости при закалке сплавов, которые содержат в себе 5,5% углерода. Первичный имеет форму в виде крупных пластин.

Вторичный

Этот элемент получается из аустенита при охлаждении последнего. На диаграмме этот процесс этот процесс можно видеть по диаграмме Fe – C. Цементит представлен в виде сетки, размещенной по границам зерен.

Третичный

Этот тип, является производным от феррита. Он имеет форму иголок.

В металлургии существуют и другие формы цементита, например, цементит Стеда и пр.

Другие структурные составляющие в системе железо углерод

Перлит

Перлит – это механическая смесь, которая состоит из феррита и цементита. Ледебурит представляет собой переменный раствор.

При температуре от 1130 и до 723 °С в его состав входят аустенит и цементит. При более низких температурах он состоит из аустенит заменяет феррит.

Ледебурит в сталях

Стали, в основании которых лежит ледебурит относят к легированным. В процессе кристаллизации происходит образование ледебурита. На диаграмме состояния железо углерод этот процесс указан в точке Е, которая расположена на линии Fe – Fe3C.

Использование таких элементов, как хром, вольфрам и некоторых других, приводят к образованию таких сплавов как Р6М5. Эту сталь и ее аналоги применяют при изготовлении инструментов, например, металлорежущих.

Узловые критические точки диаграммы состояния системы железо углерод

На диаграмме железо углерод отмечено некоторое количество точек, называемых критичными. Каждая точка несет в себе информацию о температуре, долевом содержании углерода и описанием того, что именно происходит в этом месте.

Всего существует 14 этих критичных точек.

Например, А, говорит о том, что при температуре 1539 °С и при нулевом содержании углерода происходит плавление чистого железа. D говорит о том, что при температуре 1260 возможно плавление Fe3c.

Точки расположены на пересечении линий, размещенных на диаграмме.

Значение линий диаграммы состояния системы железо углерод

Каждая линия, расположенная на диаграмме, так же несет в себе смысловую нагрузку. Например, линия PQ показывает выделение третичного цементита из феррита.

Все расшифровки значений точек и линий всегда есть в приложениях к диаграмме состояния углерод железо.

Читайте также: