Железоуглеродистые сплавы. Диаграмма состояния железо – углерод

1.

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ.
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО –
УГЛЕРОД.
1. Компоненты и фазы диаграммы железо – углерод.
2. Диаграмма Fe-C.
3. Обозначения, принятые для дальнейшего изложения.
4. Структуры железоуглеродистых сплавов. Процессы при
структурообразовании железоуглеродистых сплавов.

2.

АКТУАЛИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ:
1 вариант
1. Что называют сплавом?
2. Перечислите способы приготовления псевдосплавов.
3. Что такое система?
4. Какие сплавы образуют химические соединения?
5. Отобразите кристаллическую решетку твердого раствора
замещения.
2 вариант
1. Что называют металлическим сплавом?
2. Из чего состоят сплавы?
3. Что такое фаза?
4. Какие сплавы образуют механические смеси?
5. Отобразите кристаллическую решетку твердого раствора
внедрения.

3.

* Железоуглеродистые сплавы –
стали и чугуны – важнейшие
металлические сплавы
современной техники.
* Производство чугуна и стали по
объему превосходит производство
всех других металлов вместе
взятых более чем в десять раз.
* Диаграмма состояния железо –
углерод дает основное
представление о строении
железоуглеродистых сплавов –
сталей и чугунов.
* Начало изучению диаграммы
железо – углерод положил Чернов
Д.К.
В 1868 году Чернов впервые
указал на существование в стали
критических точек и на
зависимость их положения от
содержания углерода.
Русский металлург и
изобретатель
Дмитрий Константинович
Чернов.

4.

КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД
Компонент Железо – Fe: Тпл =1539°С; В зависимости от
температуры окружающей среды железо может существовать в
4-х аллотропических или полиморфных модификациях.
● До 768 С металл имеет объёмно-центрированную кубическую
решетку (К8) с ферромагнитными свойствами, его обозначают
α-Fe. при 768°С происходит магнитное превращение; с
углеродом железо образует растворы внедрения;
● При 768 °С переходит в β-Fe. Железо становится
парамагнитным, но кристаллическая структура не меняется.
Критическую точку, соответствующую магнитному
превращению, т. е. переходу из ферромагнитного
состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри.
● При 911°С происходит полиморфное превращение с
трансформацией решетки в гранецентрированную
кубическую (К12). Сам металл остается парамагнитным. Это
γ-Fe.
● В точке 1392 °С совершается новый аллотропный переход,
при котором образуется δ-Fe с ОЦК решеткой. Это строение
железо сохраняет до температуры плавления. Данная
модификация - парамагнитна.

5.

КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД
Компонент Углерод – С: неметаллический элемент.
Тпл = 3500°С.
● Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в
виде модификации графита, но может существовать и в
виде алмаза.
● Углерод растворим в железе - в жидком и твердом
состояниях.
● С железом он может образовывать твердые растворы
внедрения и химическое соединение - карбид железа Fe3С
или цементит. В высокоуглеродистых сплавах может
находиться в виде графита.
Фазы. В системе железо-углерод различают следующие
фазы:
1) Жидкая фаза (L). Это однородный жидкий раствор, который
существует выше линии ликвидус. При высоких температурах
железо хорошо растворяет углерод.

6.

КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД
2) Феррит (α). Это твердый раствор внедрения углерода в αжелезе.
● Атом углерода располагается в решетке феррита в центре
грани куба, а также в вакансиях, на дислокациях и т.д.
● Углерод имеет переменную растворимость в железе: мин.
концентрация составляет 0,006% при 25 °С, макс.
концентрация - 0,02% при 727 °С.
● Твёрдость и механические свойства феррита близки к
свойствам технического железа: он мягок, пластичен, магнитен
до температуры 768 °С.
● Под микроскопом зерна феррита имеют светлый оттенок.
3) Аустенит (γ) - твердый раствор внедрения углерода в γжелезе.
● Аустенит имеет переменную растворимость углерода: мин. 0,8% при температуре 727 °С, макс. - 2,14% при 1147 °С.
● Аустенит менее пластичен, чем феррит, обладает более
высокой твердостью, парамагнитен.
● При растворении в аустените других элементов могут
изменяться свойства и температурные границы его
существования.

7.

КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД
4) Цементит - это химическое соединение железа с углеродом
- карбид железа Fe3C.
● Содержание углерода в цементите составляет 6,67%.
● Т пл = 1260 °С. При невысоких температурах цементит слабо
ферромагнитен. Магнитные свойства теряются при
температуре около 270 градусов °С.
● По твердости цементит приближается к твердости алмаза.
Пластичность цементита - практически нулевая.
По моменту образования в сплаве цементит условно
подразделяют на следующие разновидности:
● Цементит I (первичный) - кристаллизуется из жидкой фазы.
● Цементит II (вторичный) - выделяется из аустенита.
● Цементит III (третичный) - выделяется из феррита.
Цементит - соединение неустойчивое, т.е. является
метастабильной фазой и при определенных условиях
распадается с образованием свободного углерода в виде
графита.
5) Графит. Графит мягок и обладает низкой прочностью.

8.

КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД
Кроме перечисленных фаз, в структуре сплавов железа с углеродом
присутствуют две структурные составляющие: эвтектика и
эвтектоид.
6) Ледебурит - эвтектика - механическая смесь кристаллов
аустенита и цементита (γ+ Fe3C). Содержит 4,3 % С и
кристаллизуется при температуре 1147ºC.
Структура: чередующиеся пластинки аустенита и цементита. При
температурах ниже 727ºC аустенит в этой смеси изотермически
трансформируется в перлит.
Ледебурит такого состава называется низкотемпературным.
7) Перлит – эвтектоид – грубая механическая смесь феррита и
цементита (α + Fe3C), имеет перламутровый цвет (отсюда и
название), концентрация углерода 0,8 %масс.
Эвтектоид в отличие от эвтектики образуется не из жидкой фазы,
а из твердой.
Он является продуктом эвтектоидного распада аустенита (γ) при
727ºC.

9.

Диаграмма состояния Fe–Fe3C

10.

Диаграмма состояния Fe–Fe3C

11.

ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ ДЛЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО
ИЗЛОЖЕНИЯ
L – жидкость (жидкий раствор углерода в железе),
существует выше линии ликвидус ABCD.
Линию ABCD называют линией ликвидуса.
Процесс выделения кристаллов из жидкости
называют первичной кристаллизацией.
Выше линии ликвидуса все сплавы находятся только
в жидком состоянии.
Линия AECF называется линией солидуса, она
характеризует температуру окончания процесса
первичной кристаллизации.
Ц – цементит, соответствует линии DFKL.
При понижении температуры растворимость
уменьшается и избыток углерода выделяется в виде
цементита.

12.

Цементит, выделяющийся из жидкого сплава, принято
называть первичным , из аустенита − вторичным, из
феррита − третичным.
* Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде
крупных пластинчатых кристаллов.
* Цементит вторичный располагается в виде сетки вокруг
зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита).
* Цементит третичный в виде мелких включений
располагается у границ ферритных зерен.
Ф – феррит – структурная составляющая,
незначительный раствор углерода в α-железе (называют
технически чистым железом), на диаграмме
располагается левее линий GPQ и AHN.
А – аустенит – структурная составляющая, твердый
раствор углерода в γ-железе, область на диаграмме
NJESG. Аустенит имеет переменную предельную
растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при
температуре 727° С (точка S), максимальную – 2,14 % при
температуре 1147° С (точка Е).

13.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СМЕСИ:
Перлит П — механическая смесь феррита и цементита,
содержащая 0,8 % углерода. Перлит образуется при
перекристаллизации (распаде) аустенита при
температуре 727°С (на диаграмме линия РS).
Название получил за то, что на полированном и
протравленном шлифе наблюдается перламутровый
блеск. Перлит может существовать в зернистой и
пластинчатой форме, в зависимости от условий
образования.
Ледебурит Л — механическая смесь аустенита и
цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого
сплава с содержанием углерода 4,3 % при постоянной
температуре 1147°С (точка С на диаграмме).

14.

Т=1499°С (линия HJB): L(B)+Ф(H)→A(J) перетектическая реакция, наблюдается только у
сплавов с содержанием углерода от 0,1% до 0,5%.
Т=1147°С (линия ECF): L(С)→А(H)+Ц – эвтектическая
реакция, наблюдается у сплавов с содержанием
углерода более 2,14% С, образовавшуюся в
результате реакции эвтектическую смесь называют
ледебуритом.
Т=727°С (линия PSK): A(S)→Ф(P)+Ц – эвтектоидная
реакция, наблюдается у всех сплавов с содержанием
углерода более 0,02%, образовавшуюся в
результате реакции эвтектоидную смесь называют
перлитом.

15.

ПЛОСКОЕ СЕЧЕНИЕ ЗЕРЕН ФЕРРИТА

16.

СТРУКТУРА
АУСТЕНИТА

17.

СТРУКТУРА
ПЕРЛИТА

18.

Микроструктура ледебурита (эвтектического белого чугуна)

19.

Структуры железоуглеродистых сплавов
Все сплавы системы железо – цементит по структурному
признаку делят на две большие группы: стали и чугуны.
Особую группу составляют сплавы с содержанием углерода
менее 0,02% (точка Р), их называют техническое железо.
Структура таких сплавов после окончания кристаллизации
состоит или из зерен феррита, при содержании углерода
менее 0,006 %, или из зерен феррита и кристаллов
цементита третичного, расположенных по границам зерен
феррита, если содержание углерода от 0,006 до 0,02 %.
Углеродистыми сталями называют сплавы железа с
углеродом, содержащие 0,02...2,14 % углерода,
заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита.
Они обладают высокой пластичностью, особенно в
аустенитном состоянии.

20.

Схемы микроструктуры сталей

21.

По содержанию углерода и по структуре стали
подразделяются на:
- доэвтектоидные (0,02% <С <0.8%), структура
феррит + перлит (Ф+П);
- эвтектоидные (С = 0,8%), структура перлит (П),
перлит может быть пластинчатый или зернистый;
- заэвтектоидные (0,8% <С < 2,14%), структура
перлит + цементит вторичный ( П+Ц2), цементитная
сетка располагается вокруг зерен перлита.
Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода
более 2,14 % (до 6,67 %), заканчивающие
кристаллизацию образованием эвтектики
(ледебурита), называют чугунами.
Наличие легкоплавкого ледебурита в структуре
чугунов повышает их литейные свойства.

22.

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой
состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью.
Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются
белыми чугунами.
По количеству углерода и по структуре белые чугуны
подразделяются на:
- доэвтектические (2,14% <С <4,3%), структура перлит +
ледебурит + цементит вторичный (П+Л+Ц2);
- эвтектические (С= 4,3%), структура ледебурит (Л);
- заэвтектические (4,3% <С <6,67%), структура ледебурит
+ цементит первичный (Л+Ц1).
В структуре доэвтектических белых чугунов присутствует
цементит вторичный, который образуется в результате
изменения состава аустенита при охлаждении (по линии ES). В
структуре цементит вторичный сливается с цементитом,
входящим в состав ледебурита.
Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных
температурах один и тот же, они состоят из феррита и
цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов
значительно различаются. Таким образом, основным
фактором, определяющим свойства сплавов системы железо –
цементит является их структура.

23.

Внешний вид графитных включений и схемы их
зарисовки
а
а – пластинчатый;
а
а – пластинчатый;
б
б – шаровидный
б
б – шаровидный
в
в – хлопьевидный

24.

Белый чугун – название получил по матово-белому цвету
излома;
• структура в не нагретом состоянии: Ц + П(Ф + Г); т.е. весь
углерод находится в форме цементита;
• при определенных кинетических условиях и
диффузионных процессах при охлаждении вместо
цементита образуется графит (Г).
• свойства: высокая твердость и износостойкость,
хрупкость, практически не поддается обработке режущим
инструментом;
• применение: детали, работающие в условиях
интенсивного износа без ударных нагрузок(например,
линейки направляющих, детали шаровых мельниц).
Серый чугун - излом такого чугуна имеет серый цвет.
Обладает хорошими литейными свойствами. В структуре
присутствует графит, количество, форма и размеры
которого изменяются в широких пределах.

25.

Спасибо за внимание!