Структурная диаграмма системы FE-C

1.

СТРУКТУРНАЯ ДИАГРАММА
СИСТЕМЫ FE-C
Занятие ведет старший преподаватель
кафедры ЭСМУ, Тория Теодор Георгиевич

2.

3.

Железо – металл серебристого цвета; атомный номер 26; атомная масса 55,85
углеродных единиц; атомный радиус 0,127 нм. Плотность железа 7874 кг/м3.
Температура плавления 1539 °С.
Железо в твердом состоянии может находиться в двух модификациях: железо-α (Feα), решетка ОЦК с периодом а, равным
0,286 нм, и железо-γ (Feγ), решетка ГЦК с периодом а = 0,364 нм. Feα существует при температурах до 910 °С и от 1392 °С до
1539 °С. Feα является магнитным (ферромагнитным) металлом до температуры 768 °С – точки Кюри, при которой он
переходит в парамагнитное состояние. Железо с решеткой ОЦК, существующее при температурах свыше 1392 °С, обозначают
железо-δ (Feδ). Fe существует в интервале температур 910...139 °С и обладает парамагнитными свойствами.

4.

Графит – чистый углерод с гексагональной слоистой структурой. Графит очень мягок (HB =
3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в
виде включений различных форм (пластинчатой, хлопьевидной, шаровидной). С
изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические
свойства сплава.
Углерод — неметаллический элемент с у = 2,5 г/см3, Гпл = 3500 °С. В свободном состоянии
встречается в виде алмаза и графита. В сплавах с железом углерод приобретает
металлические свойства.
При взаимодействии железа с углеродом образуются химическое соединение (цементит) и
твердые растворы. Цементит — химическое соединение железа с 6,67 % углерода —
карбид железа Fe3C. Цементит имеет сложную ромбическую решетку, высокую
температуру плавления 1250 °С, обладает высокой твердостью ~ 800 НВ, большой
хрупкостью, ферромагнитен до 210 °С.
Кроме цементита, железо с углеродом образует и другие химические соединения, но все
они вследствие высокой хрупкости не представляют практического интереса. Поэтому
рассматривается не вся диаграмма железо — углерод, а ее часть — железо — цементит.
Но условиям образования различают цементит: первичный Ц1 (образуется при
кристаллизации из жидкости в виде больших светлых кристаллов), вторичный
ЦП (выделяется из аустенита в виде светлой сетки по границам зерен), третичный
ЦШ (выделяется из феррита в виде мельчайших зерен). Таким образом, Ц1, ЦП, ЦШ
отличаются только размерами и строением. Их химический состав и свойства одинаковы.
При взаимодействии железа с углеродом образуются твердые растворы феррит и аустенит.

5.

Феррит
Классический феррит – это твердый раствор углерода в α – железе. В
настоящее время ферритом считается твердый раствор не только
углерода, но и других элементов в α –железе. В совокупности с
другими веществами (медь, цинк и пр.) широко применяется в
электротехнических изделиях.
Феррит имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую
решетку. Максимальное содержание углерода в a-железе - 0,02% при
температуре 727 °С. При комнатной температуре содержание углерода
в феррите - 0,006%. Феррит – мягкая, пластичная структура со
следующими механическими свойствами: предел прочности = 250
МПа; твердость по Бринеллю НВ = 800-1000 МПа; относительное
удлинение δ = 40%; относительное сужение = 80%.
Армко-железо (ARMCO — сокращенное название американской
фирмы American Rollin Mill Corporation), техническое чистое железо,
получаемое в мартеновских и электрических плавильных печах при
удлинении процесса выгорания примесей. Общее содержание
примесей в армко-железе около 0,16%, в том числе не более 0,025%
углерода; 0,035 % марганца; 0,05% кремния; 0,015% фосфора, 0,025%
серы; 0,05% меди

6.

Цементит
К основным механическим свойствам относятся:
твердость;
Низкая стойкость к ударным воздействиям (хрупкость);
Низкое сопротивление на излом;
Низкая пластичность.
Твёрдость этого соединения достигает больших значений и равна НВ 8000 МПа или HRC 70. Однако он обладает достаточной
хрупкостью и низкой пластичностью.
Концентрация углерода в цементите — 6,67% по массе — предельная для железоуглеродистых сплавов. Цементит — метастабильная
фаза; образование стабильной фазы — графита во многих случаях затруднено. Цементит имеет орторомбическую кристаллическую
решётку, очень твёрд и хрупок, слабо магнитен до 210 °C.
первичная фракция образовывается в результате кристаллизации расплава;
вторичный – в результате последовательного охлаждения аустенита;
третичный – после охлаждения феррита.

7.

Еще немного о цементите
Цементит первичный выделяется по линии диаграммы СD. При пересечении данной линии в заэвтектических сплавах (углерода более 4,3%) выделяется цементит
первичный из жидкого раствора.
Цементит вторичный выделяется из аустенита при пересечении линии начала вторичной кристаллизации SE в заэвтектоидных сталях (С от 0,8 до 2,14%)
Цементит третичный выделяется в низкоуглеродистых сплавах (углерода менее 0,025%) при пересечении линии PQ.
В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). 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.
Термин первичный, вторичный и третичный цементит обозначают количество цементита в сплаве: первичный цементит присутствует в чугунах в значительном количестве
и выделяется в виде грубых пластин, цементит вторичный – в виде тонкой сетки по краям зерен, третичный – в виде отдельных включений, заметных при значительных
увеличениях.

8.

Перлит
Перли́ т, в металловедении — структурная составляющая
железоуглеродистых сплавов, образующаяся при эвтектоидном распаде,
представляет собой эвтектоидную смесь феррита и цементита (в
легированных сталях — карбидов). Среднее содержание углерода в
перлите составляет 0, 8%, сталь, структура которой целиком состоит из
перлита, называется эвтектоидной. Перлит образуется при
охлаждениях аустенита. Перлитное превращение начинается на
границах зерен аустенита. При этом гамма-железо переходит в альфажелезо, содержание углерода в котором составляет около 0, 02%,
избыточный углерод выделяется в форме цементита или карбидов.
Твердость перлита 200-250 единиц твердости по Бринеллю (НВ).
В пластинчатом перлите обе фазы имеют форму пластинок, среднее
межпластинчатое расстояние в перлитных структурах 0, 5-1 мкм.
Механические свойства перлита зависят от расстояния между
пластинками (суммарная толщина пластинок обеих фаз): чем оно
меньше, тем выше значение предела прочности и предела текучести и
ниже критическая температура хладноломкости. Перлит может быть и
зернистым, образуя округлые зернышки, или глобули цементита,
которые располагаются на фоне зерен феррита. Сталь с перлитной
структурой легче поддается механической обработке.

9.

Аустенит
Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в
гамма-железе.
Аустенит имеет ГЦК структуру. В железоуглеродистых
сплавах аустенит может существовать только при
высоких температурах. В гамма-железе углерод
растворяется значительно лучше, чем в альфажелезе, максимальная растворимость углерода в
гамма-железе составляет 2,14% и наблюдается при
температуре 1147 °С. С понижением температуры
растворимость углерода снижается - до 0,8% при 727
°С. Аустенит имеет твердость HB = 160-200 и весьма
пластичен (относительное удлинение 40-50%),
наблюдается в сталях при температурах от 727 °С.

10.

Ледебурит
Ледебурит (Л) – механическая смесь аустенита и
цементита (Л = А+ Ц), содержащая 4,3% углерода.
Ледебурит образуется из жидкого расплава при
температуре 1147 °С. Таким образом, ледебурит по своей
сути является эвтектикой. Ледебурит образуется при
затвердевании жидкого расплава при 1147 °С. Ледебурит
имеет твердость HB = 600-700 HB и большую хрупкость.
Ледебурит наблюдается в структуре чугунов, в сталях он
образовывается только при большом количестве
легирующих элементов и содержании углерода более
0,7%.
При охлаждении ледебурита до температуры в 727 °С
входящий в его состав аустенит становится неустойчивым
и распадается, превращаясь в перлит. Таким образом, при
температуре менее 727 °С вплоть до 20 °С ледебурит
представляет собой механическую смесь перлита с
цементитом.

11.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ТАБЛИЦА МИКРОСТРУКТУР СИСТЕМЫ FE-C