Цементит: структура, свойства, виды

Характерными свойствами металлов являются наличие металлического блеска и пластичности, высокая электро- и теплопроводность. Характерные свойства металлов обусловлены их строением.

Атомы металлов не однородны. Атом состоит из положительно заряженного тяжелого ядра, и окружающих ядро отрицательно заряженных электронов. Число электронов равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева.

В ядре атома находятся положительно заряженные элементарные частицы, называемые протонами. Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов. Кроме протонов, в ядре находятся тяжелые электрически нейтральные частицы – нейтроны.

Масса электрона в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона. Таким образом, вся масса атома сосредоточена в его ядре.

Электроны быстро вращаются вокруг ядра. Внешние, так называемые валентные, электроны у всех металлов относительно слабо связаны с ядром. Слабой связью внешних валентных электронов с ядром и объясняются характерные металлические свойства.

Замечание Между понятием «металл» как химический элемент и как вещество есть некоторая разница. Химия делит все элементы на металлы и неметаллы по их поведению в химических реакциях.

Теория металлического состояния рассматривает крупные скопления атомов металлов, в котором они обладают характерными металлическими свойствами: пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью, металлическим блеском.

Эти свойства характерны для больших групп атомов. У отдельных атомов таких свойств нет.

Атомы в металле находятся в ионизированном состоянии. Атомы металлов, отдавая часть внешних валентных электронов, превращаются в положительно заряженные ионы. Свободные электроны непрерывно перемещаются между ними, образуя подвижный электронный газ.

При комнатной температуре все металлы, кроме ртути, представляют собой твердые тела, имеющие кристаллическое строение. Для кристаллов характерно строго определенное расположение в пространстве ионов, образующих кристаллическую решетку.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Каждая кристаллическая решетка может быть охарактеризована элементарной кристаллической ячейкой.

Элементарная кристаллическая ячейка – наименьший комплекс атомов, повторяя который многократно, можно построить весь кристалл.

У металлов чаще всего встречаются три типа элементарных кристаллических ячеек: В кубической объемноцентрированной (ОЦК) решетке восемь ионов располагаются по вершинам и один в центре куба, на пересечении диагоналей.

Объемноцентрированную кубическую решетку имеют кристаллы железа при комнатной температуре, хрома, вольфрама, молибдена, ванадия и др.

Эта решетка характеризуется всего одним параметром решетки – расстоянием между центрами двух ионов, расположенных по одному ребру, обозначенным на рисунке а.

Цементит: структура, свойства, виды Многие металлы, используемые в технике, имеют гранецентрированную кубическую решетку. В элементарной решетке гранецентрированного куба ионы расположены по вершинам куба и в центре каждой грани (на пересечении ее диагоналей). Центр куба остается свободным. Такую кристаллическую решетку имеют кристаллы меди, никеля, алюминия, свинца, серебра и др. гранецентрированная решетка также характеризуется одним параметром – длиной ребра куба а.Цементит: структура, свойства, виды Элементарная ячейка гексагональной плотноупакованной решетки представляет собой шестигранную призму. По основаниям призмы расположены правильные шестиугольники по вершинам которых и в их центрах находятся ионы. Посередине между основаниями вклинивается правильный треугольник с ионами по вершинам.Цементит: структура, свойства, виды Гексагональная решетка характеризуется двумя параметрами: а и с. Наибольшая плотность упаковки достигается при соотношении параметров с/а = 1.633. Гранецентрированная решетка с таким соотношением параметров называется гранецентрированной плотноупакованной. Такую решетку имеют титан, цирконий, кобальт, цинк, магний и др.

Строение металлических сплавов

Под металлическим сплавом понимают вещество, получаемое сплавлением двух или более элементов, обладающее характерными металлическими свойствами.

Металлические сплавы получают сплавлением элементов – металлов или металлов с неметаллами при преимущественном содержании металлов. Строение сплавов сложнее, чем чистых металлов.

При кристаллизации жидкого сплава могут получаться твердые металлические сплавы с различным строением.

Механическая смесь двух чистых металлов А и В получается в том случае, когда в процессе кристаллизации сплава из жидкого состояния разнородные атомы не входят в общую кристаллическую решетку.

В механической смеси каждый металл образует самостоятельные кристаллы.

Кристаллы каждого их металлов, находящиеся в этом сплаве, обладают теми же строением и свойствами, которыми они обладают в куске чистого металла.

Твердый раствор – сплав, у которого атомы растворимого элемента размещены в кристаллической решетке растворителя. На микрошлифе твердого раствора кристаллы после травления выглядят одинаково. В кристаллах твердого раствора существует только один тип кристаллической решетки.

Растворителем является тот элемент, кристаллическую решетку которого имеет твердый раствор. Растворимый элемент может либо замещать элемент-растворитель в узлах кристаллической решетки, либо располагаться в междоузлиях.

По типу расположения атомов растворимого элемента в кристаллической решетке твердые растворы делят на две группы: замещения и внедрения.

Твердые растворы внедрения образуют металлы с неметаллами. Атомы неметаллов меньше атомов металлов. Поэтому атомы неметаллов могут располагаться в междоузлиях кристаллической решетки металлов. Внедрившийся атом вызывает искажение решетки металла-растворителя. Все твердые растворы внедрения – растворы с ограниченной растворимостью.

Химические соединения металлы образуют как с металлами так и с неметаллами. Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления, скачкообразным изменением свойств при изменении состава.

Химические соединения металлов с неметаллами образуются при строго определенных соотношениях входящих в них элементов, соответствующих нормальным валентностям. Химические соединения обладают повышенной твердостью и пониженной пластичностью.

Кристаллическая решетка химического соединения имеет сложное строение.

Диаграмма состояния

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Если изменится состав сплава, его температура, давление, то состояние сплава изменится, и это находит отражение в диаграмме состояния.

Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, которые при данных условиях обладают минимальным уровнем свободной энергии. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия, поскольку показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Следовательно, и изменения в состоянии, которые отображены на диаграмме, относятся к равновесным условиям, т.е. при отсутствии перенагрева или переохлаждения.

Так как превращения в отсутствии перенагрева или переохлаждения в действительности не могут совершаться, поэтому диаграмма состояния представляет собой теоретический случай.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, описываются правилом фаз или законом Гиббса.

Закон Гиббса дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов. Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Однородная жидкость – однофазная система. Смесь двух видов кристаллов – двухфазная система. Компонентами называются вещества, образующие систему. Чистый металл – однокомпонентная система.

Сплав двух металлов – двухкомпонентная система.

Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы железо-углерод. Это объясняется наиболее широким применением в технике железоуглеродистых сплавов.

Диаграмма железо-углерод относится к диаграммам состояния для сплавов с ограниченной растворимостью. Диаграмма железо-углерод, как ясно из названия, должна распространяться от железа до углерода.

Железо образует с углеродом ряд химических соединений, но надежно установлено лишь одно Fe3C – карбид железа или цементит.

Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму изучать по частям.

Цементит: структура, свойства, виды

Следовательно, рассматривая диаграмму железо-углерод на участке от железа до цементита, мы можем компонентами системы считать железо и цементит.

Рассмотрим свойства отдельных компонентов. Железо. Температура плавления 1539 °С. Железо аллотропическое вещество. Атомы элемента могут образовывать, если исходить только из геометрических соображений, любую кристаллическую решетку. Однако устойчивым, а, следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

  • В ряде случаев (и для железа в том числе) при изменении температуры или давления может оказаться, что для одного и того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая была при другой температуре или давлении.
  • Так для железа характерны две кристаллические решетки: • объемноцентрированный куб;
  • • гранецентрированный куб.

Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Различные кристаллические формы одного и того же вещества называются полиморфными или аллотропическими модификациями.

Аллотропические формы обозначаются греческими буквами α, β, γ и т.д., которые в виде индексов добавляются к символу, обозначающему элемент. Аллотропическая форма, существующая при самой низкой температуре, обозначается через α, следующая через β и т.д.

Превращение одной аллотропической формы в другую при нагреве чистого металла сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре. На термической кривой превращение отмечается горизонтальным участком.

При охлаждении происходит выделение тепла теоретически при той же температуре, что и при нагреве, но практически при более низкой вследствие переохлаждения.

Цементит: структура, свойства, виды Явление полиморфизма основано на едином законе об устойчивости состояния с наименьшим запасом энергии.Цементит: структура, свойства, виды Запас свободной энергии зависит от температуры. Поэтому в одном интервале температур более устойчивой является модификация α, а в другом модификация γ.Цементит: структура, свойства, виды Железо имеет две температуры полиморфного превращения: 911 и 1392 °С.

Особо следует рассмотреть образование растворов углерода в железе. Растворимость С в Fe существенно зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо.

Диаметр атома углерода (в свободном состоянии) равен 1.54 A. В объемноцентрированной решетке имеется 12 свободных мест в середине ребер. Диаметр такого свободного места 0.62 A. Такой объем явно недостаточен для помещения в нем атома углерода.

Цементит: структура, свойства, виды

В гранецентрированной кристаллической решетке в центре имеется пора диаметром 1.02 A. В этой поре атом углерода может поместиться, вызывая естественно некоторое увеличение размера решетки γ-железа.

Таким образом, геометрические соображения подсказывают, что α-железо не растворяет, а γ-железо растворяет углерод. В действительности α-железо растворяет углерод, но в очень небольшом количестве ≈ 0.02%.

Цементит: структура, свойства, виды Твердый раствор углерода в α-железе называется ферритом, а в γ-железе аустенитом.

Цементит. Цементит – это химическое соединение углерода с железом (карбид железа Fe3C).

Так как растворимость углерода в α-железе мала, то при нормальных температурах в подавляющем большинстве случаев в структуру стали входят высокоуглеродистые фазы в виде цементита.

Кристаллическая структура цементита очень сложна.

Цементит: структура, свойства, виды Температура плавления цементита 1600 °С. Аллотропических превращений не испытывает. Цементит имеет высокую прочность ~ 800 НВ и практически нулевую пластичность.

Цементит — соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Процесс имеет огромное практическое значение.

Историческая справка. Начало изучению диаграммы железо-углерод (а также железоуглеродистых сплавов и процессов термической обработки) было положено работой Чернова Д.К.

«Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные исследования Д.К.Чернова по этому же предмету», опубликованной в 1868 году.

Этот год можно считать годом возникновения науки металловедения.

В этой работе Чернов впервые указал на существование в стали критических точек, и на зависимость их положения от содержания углерода. Таким образом, Чернов дал первое представление о диаграмме железо-углерод.

Диаграмма железо-цементит имеет двойную концентрационную ось абсцисс. Содержание углерода и содержание цементита. Линия ABCD является ликвидусом. Это линия – геометрическое место точек начала кристаллизации. Линия AHJECF – солидус. Геометрическое место точек конца кристаллизации.

  1. Так как железо с углеродом образует химическое соединение Fe3C, и еще имеет две аллотропические формы α и γ следовательно в системе существуют следующие фазы: • жидкость (жидкий раствор углерода в железе) располагается выше линии ликвидус и обозначается Ж;
  2. • цементит Fe3C – вертикаль DFKL, обозначается Ц;

• феррит – структурная составляющая, которая представляет собой α-железо, растворяющая в незначительном количестве углерод, область феррита левее линий GPQ и AHN, обозначается Feα; • аустенит – структура, представляющая собой твердый раствор углерода в γ-железе, область аустенита на диаграмме NJESG, обозначается Feγ.

Три горизонтальные линии на диаграмме HJB, ECF, PSK указывают на протекание трех нонвариантных реакций. Вариантность – это число степеней свободы системы. Если число степеней свободы равно нулю (нонвариантная система), то нельзя изменить внешние и внутренние факторы системы (температуру, давление, концентрацию) без того, чтобы это не вызвало изменение числа фаз.

При 1499 °С (линия HJB) протекает перитектическая реакция: Ж + Feα → Feγ

Перитектическая реакция представляет собой реакцию, когда жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов.

В результате перитектической реакции образуется аустенит. Реакция имеет место только у сплавов, содержащих углерода от 0.1 до 0.5%.

При температуре 1147 °С (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция: Ж → Feγ + Ц

Эвтектическая реакция – реакция кристаллизации одновременно двух (или более) видов кристаллов из жидкости. Механическая смесь двух (или более) видов кристаллов называется эвтектикой. В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь. Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом. Эта реакция протекает у всех сплавов, содержащих углерода > 2.14%.

При температуре 727 °С (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция: Feγ → Feα + ЦII Превращение протекает аналогично кристаллизации эвтектики, но исходным раствором является не жидкость, а твердый раствор.

Такое превращение называется эвтектоидным, а смесь полученных кристаллов эвтектоидом. Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом и имеет вид перламутра. У всех сплавов, содержащих свыше 0.02% углерода, т.е. практически у всех промышленных железоуглеродистых сплавов имеет место перлитное (эвтектоидное) превращение.

Кристаллы выделившиеся из твердого раствора называются вторичными кристаллами и обозначаются символом II (например Цп) в отличие от первичных кристаллов, выделяющихся из жидкости.

У всех сплавов, содержащих менее 2.14% углерода, в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита; у всех сплавов содержащих более 2.14% углерода, структура состоит из ледебурита с избыточным аустенитом или цементитом.

Читайте также:  Как залудить жало паяльника с покрытием правильно

Это различие в структуре при высоких температурах и создает существенное отличие в технологических и механических свойствах сплавов.

Наличие эвтектики делает сплав нековким, вместе с тем более низкая температура плавления высокоуглеродистых сплавов облегчает применение их как литейных материалов.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие менее 2.14% углерода называются сталями, а более 2.14% — чугунами.

Различают три группы сталей: • эвтектоидные, содержащие около 0.8% углерода, их структура перлит;

• доэвтектоидные, содержащие < 0.8% углерода, их структура Ф+П (феррит + перлит) ; • заэвтектоидные 0.8÷2 % углерода, имеют структуру ЦII + П (цементит вторичный + перлит).

Источник: https://all4study.ru/proizvodstvo/stroenie-i-svojstva-metallov.html

Контрольная работа 1 Вариант 5

Что такое ограниченные и неограниченные твердые растворы? Каковы необходимые условия образования неограниченных твердых растворов? По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы: – с неограниченной растворимостью компонентов; – с ограниченной растворимостью компонентов.

При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента.

Цементит: структура, свойства, виды Рисунок 1 – Диаграмма состояний сплавов с неограниченной растворимостью компонентов В этих сплавах компоненты в твердом состоянии неогра­ниченно растворяются друг в друге; при этом образуется взаимный твердый раствор α. В данном случае чистые компонен­ты А и В не являются самостоятельными фазами системы, – они представляют собой предельные частные случаи твердого раствора α… Однофазные области на диаграмме: 1) жидкость L – выше линии ликвидус CDE; 2) тв. раствор α – ниже линии солидус CFE. Кристаллизация сплавов этого типа начинается на линии СDE и заканчивается на линии CFE постепенным переходом жидко­го раствора L в твердые кристаллы α. Структуры всех сплавов этого типа при комнатной температура подобны: одно­родные кристаллы твердого раствора α, являющиеся единст­венной структурной составляющей в сплавах этого типа. Для образования растворов с неограниченной растворимостью необходимо выполнение следующих условий: – изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов; – близость атомных радиусов компонентов R, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %; – близость физико-химических свойств подобных по строению валентных оболочек атомов. Например, неограниченно растворяются в твердом состоянии следующие металлы с ГЦК-решеткой: Ag и Au (R=0,2%), Ni и Cu (R=2,7%), Ni и Rd (R=10,5%) и др., а также металлы с ОЦК решеткой: Mo и W (R=9,9%), V и Ti (R=2,0%). Такие металлы, как Na, Ca, R, Pb, Sr и другие, имеющие большой атомный диаметр, в Feγ, Cu, Ni нерастворимы. Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки. Сплавы с ограниченной растворимостью компонентов В этих сплавах в твердом состоянии компоненты растворяются друг в друге с образованием твердых растворов α (В в А) и β (А в В), между которыми образуется эвтектика эвт(α+β). Однофазные области на диаграмме: 1) жидкость L – выше линии ликвидус DCE; 2) тв. раствор α – область 0DFK0; 3) тв. раствор β – область NGE-100-N.Цементит: структура, свойства, виды Рисунок 2 – Диаграмма состояний сплавов с ограниченной растворимостью Линии верхней части диаграммы – образование кристаллов твердых растворов α и β. Однако, в отличии от предыдущей диаграммы, предельное содержание компонента B в α ограничено: оно не может быть более М% В (в точке F). Аналогично, предельное содержание А в β не может быть более (100-N)% A (в точке G). То есть, в данном случае при растворении компонентов друг в друге образуются так называемые ограниченные твердые растворы α и β. В общем случае, при снижении температуры после достижения предела растворимости (т.е. ниже уровня FCG) предельное содержание растворенного компонента в твердом растворе может изменяться. Эта зависимость предела растворимости от температуры твердого раствора α показана линией FK, а для β – линией GN. Видно, что с уменьшением температуры возможное содержание В в α уменьшается (от М% В до К% В при 0ºС). Поэтому, при охлаждении сплавов, содержащих от К % В до М % В, ниже линии FK из них будет выделяться оказавшаяся избыточная часть компонента В в виде кристаллов вторичного βII (доказывается правилом отрезков), и в области KFMK сплавы будут иметь фазовый состав α+βII. В частном случае, показанном линией GN, предел растворимости А в β не зависит от температуры и кристаллы твердого раствора β, образовавшиеся на линии GE, будут охлаждаться до комнатной температуры без каких-либо внутренних изменений. В средней части диаграммы сплавы кристаллизуются с образованием эвтектики на линии FCG. Эвтектика содержит С/% В и кристаллизуется по реакции: Lэвт–>эвт(α+β). В доэвтектических сплавах этой области в конечной структуре сплава будут присутствовать кроме эвтектики кристаллы (α+βII), а в заэвтектических – кристаллы β. Структурные составляющие сплавов: 1) кристаллы α – область 0DFK0; 2) кристаллы β – область NGE-100-N; 3) кристаллы эвтектики эвт(α+β) – линия СС/.

Опишите сущность явления наклепа и примеры его практического использования.

Наклеп – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией. Наклеп снижает пластичность и ударную вязкость, но увеличивает предел пропорциональность, предел текучести и твердость. Наклеп снижает сопротивление материала деформации противоположного знака. При поверхностном наклепе изменяется остаточное напряженное состояние в материале и повышается его усталостная прочность. Наклеп возникает при обработке металлов давлением (прокатка, волочение, ковка, штамповка), резанием, при обкатке роликами, при специальной обработке дробью. Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а, следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение. Повышение долговечности деталей машин методом поверхностного пластического деформирования (ППД) или поверхностного наклепа широко используется в промышленности для повышения сопротивляемости малоцикловой и многоцикловой усталости деталей машин. На рисунке 3 приведены схемы различных ППД.Цементит: структура, свойства, виды а – дробеструйная упрочняющая обработка; б – чистовая обработка – обкатываем шаром; в – обработка дорнованием; г – центробежно-шариковая чистовая обработка; д – обработка чеканкой; е – упрочнение взрывом; ж — упрочнение виброобкатыванием; з – алмазное выглаживание Рисунок 3 – Схемы поверхностной пластической деформации Поверхностное упрочнение достигается: 1) дробеструйным наклепом за счет кинетической энергии потока чугунной или стальной дроби; поток дроби на обрабатываемую поверхность направляется или скоростным потоком воздуха, или роторным дробеметом (рис. 3, а); 2) центробежно-шариковым наклепом за счет кинетической энергии стальных шариков (роликов), расположенных на периферии вращающегося диска; при вращении диска под действием центробежной силы шарики отбрасываются к периферии обода, взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью и отбрасываются в глубь гнезда; 3) накатываем стальным шариком или роликом (60 HRC) (рис. 3, б); передача нагрузки на ролик может быть с жестким и упругим контактом между инструментом и обрабатываемой поверхностью; 4) алмазным выглаживанием оправкой с впаенным в рабочей части алмазом (рис. 3, з); оно позволяет получать блестящую поверхность с малой шероховатостью.

Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,1% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус). При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидко­го раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллиза­ции сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчи­вается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раст­вора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE. При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при темпера­турах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристал­лизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита. Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит. Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита. Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита. Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом. В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67]. Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом. Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом. Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен. В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит). Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением: C = K + 1 – Ф, где С – число степеней свободы системы; К – число компонентов, образующих систему; 1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях); Ф – число фаз, находящихся в равновесии. Сплав железа с углеродом, содержащий 1,1 % С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – цементит (вторичный) + перлит.Цементит: структура, свойства, виды а) б) Рисунок 4: а – диаграмма железо-цементит, б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,1% углерода

При непрерывном охлаждении стали У8 получена структура троостит + мартенсит. Нанесите на диаграмму изотермического превращения аустенита кривую охлаждения, обеспечивающую получение данной структуры. Укажите интервалы температур превращений и опишите характер превращения в каждом из них.

Для получения структуры троостит + мартенсит в стали У8 необходимо нагреть ее до температуры выше точки А1, затем охладить так, чтобы пересечь кривую начала превращения аустенита в перлит в области троостита и, минуя кривую конца превращения, перейти в область мартенсита. Цементит: структура, свойства, виды При нагреве стали У8 выше А1 перлит переходит в аустенит. При охлаждении со скоростью ниже критической (см. рис.) образуется ферритно-цементитная структура – троостит и мартенсит. В зависимости от соотношения содержаний троостита и мартенсита в троостомартенсите (от скорости охлаждения) твердость стали может меняться от 300 НВ (при 100 % троостита) до 650 НВ (при 100 % мартенсита).

С помощью диаграммы железо-цементит, установите температуру полной и неполной закалки для стали 45 опишите структуру и свойства стали после каждого вида термической обработки.

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Температура точки Ас3 для стали 45 составляет 755°С. Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3 (неполная закалка), то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 740°С (ниже точки Ас3) структура стали 45 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.Цементит: структура, свойства, виды Доэвтектоидные стали для полной закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под полную закалку, таким образом, составляет 800-840°С. Структура стали 45 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

Читайте также:  Фрезы по дереву: классификация, конструкции, типы, как выбрать

Источник: https://prepodvshoke.com/blog/matved/614.html

Образование цементита

Главная / Теория термической обработки металлов / Старение и отпуск / Отпуск / Образование цементита

26 сентября 2011

Образование цементита Fe3C со структурой, одинаковой или близкой к структуре цементита отожженной стали, происходит при температурах выше 250 °С, причем наиболее активно в интервале 300 — 400 °С.

Цементит Fe3C — более стабильная фаза, обладающая меньшей объемной («химической») свободной энергией, чем любой из промежуточных карбидов.

Кроме того, при повышении температуры отпуска снижение концентрации углерода в распадающемся α-растворе так изменяет межплоскостные расстояния, что решетка α-фазы лучше сопрягается уже не с решеткой ε-карбида (или карбида), а с решеткой цементита.

Таким образом, при более высоких температурах отпуска выигрыш в объемной и поверхностной свободной энергии делает предпочтительными зарождение и рост цементита Fe3C, а не промежуточных карбидов.

Установлены два механизма зарождения цементита. Во-первых, цементит выделяется прямо из пересыщенного α-раствора, причем рост частиц Fe3C сопровождается растворением выделений ранее образовавшегося менее стабильного карбида (смотрите Образование промежуточных метастабильных фаз).

Во-вторых, цементит образуется перестройкой решетки промежуточного карбида в решетку Fe3C (в пределах объема частиц промежуточного карбида). Имеются экспериментальные данные, которые можно трактовать как доказательство аллотропического превращения ε-карбида, «низкотемпературного» цементита и карбида в «высокотемпературный» цементит Fe3C.

Коагуляция и сфероидизация цементита — завершающая стадия процессов карбидообразования при отпуске. При сравнительно низких температурах цементит растет в виде дисперсных пластин, полукогерентных матрице. Размер цементитных пластин различен.

Концентрация углерода в α-растворе около относительно мелких частиц выше, чем около более крупных (смотрите формулу).

Эта разность концентраций обеспечивает диффузию углерода в α-растворе от более мелких цементитных частиц к более крупным. В результате выравнивающей диффузии α-раствор становится ненасыщенным около мелких частиц и пересыщенным около крупных. Более мелкие цементитные частицы растворяются, а более крупные подрастают.

То, что крупные частицы растут за счет растворения мелких, наглядно подтверждается частотными кривыми распределения цементитных частиц по размерам при изотермическом отпуске: по мере коагуляции уменьшается число частиц малого размера.

Распределение цементитных частиц

Распределение цементитных частиц по размерам при отпуске стали с 0,4% С при 630 °С (С. 3. Бокштейн). Выдержка:

1 — 10 мин; 2 — 4 ч; 3 — 25 ч.

Цементит выделяется из α-раствора на крупных частицах вдали от их вершин и ребер, и форма крупной частицы приближается к сферической. Таким образом переносом вещества через раствор осуществляются коагуляция и сфероидизация цементита при отпуске стали. Ниже 350 °С эти процессы развиты очень слабо. По настоящему интенсивная коагуляция и сфероидизация начинаются с 350 — 400 °С.

Выше 550 °С частицы цементита становятся сферическими. При изотермической выдержке коагуляция цементита интенсивно развивается в течение короткого времени (первого часа) и затем затухает. Средний размер цементитных частиц растет с повышением температуры отпуска.

«Теория термической обработки металлов»,И.И.Новиков

Изменение свойств легированных сталей Цементит: структура, свойства, виды

Легирующие элементы, затрудняющие распад мартенсита и коагуляцию карбидов (смотрите Структурные изменения при отпуске сталей), смещают температурную границу начала интенсивного разупрочнения при отпуске с 200 — 300 до 450 — 550 °С. Повышение красностойкости закаленной стали, т. е. способности ее сопротивляться смягчению при нагревании, — одна из основных целей легирования в производстве инструмента. Для конструкционных легированных…

Цементит: структура, свойства, виды

Отпускная хрупкость присуща многим сталям. Сталь в состоянии отпускной хрупкости характеризуется низкой ударной вязкостью.

На других механических свойствах при комнатной температуре состояние отпускной хрупкости практически не сказывается.

На рисунке схематично показано влияние температуры отпуска на ударную вязкость легированной стали, в сильной степени склонной к отпускной хрупкости. Во многих легированных сталях наблюдаются два температурных интервала отпускной…

Изменение свойств мартенситно-стареющих сталей Цементит: структура, свойства, виды

Характер зависимости механических свойств мартенситно-стареющих сталей от температуры отпуска такой же, как у всех дисперсионно-твердеющих сплавов: рост прочностных свойств, достижение максимума упрочнения и затем разупрочнение.

По аналогии со старением можно выделить стадии упрочняющего и разупрочняющего отпуска. Упрочнение вызвано образованием сегрегаций на дислокациях и, главное, частично когерентных выделений промежуточных фаз типа Ni3Ti и Ni3Mo.

Разупрочнение связано,…

Влияние легирующих элементов Цементит: структура, свойства, виды

Диффузионная подвижность атомов легирующих элементов, растворенных в α-железе по способу замещения, на много порядков ниже, чем диффузионная подвижность атомов углерода, который растворен в железе по способу внедрения.

При температурах отпуска ниже примерно 450 °С в матрице не происходит диффузионного перераспределения легирующих элементов: из α-раствора выделяются карбиды железа, в которых концентрация легирующих элементов такая же, как…

Отпуск мартенситностареющих сталей Цементит: структура, свойства, виды

Мартенситностареющие стали — это безуглеродистые сплавы на базе системы Fe — Ni, легированные дополнительно кобальтом, молибденом, титаном и другими элементами. Типичный пример — сплав железа с 17 — 19% Ni, 7 — 9% Со, 4,5 — 5% Мо и 0,6 — 0,9% Ti (Н18К9М5Т). Сплавы этого типа после воздушной закалки на мартенсит подвергают отпуску при…

Источник: https://www.ktovdome.ru/teoriya_termicheskoy_obrabotki_materialov/364_2/87/11085.html

Диаграмма состояния "железо — углерод"

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.

Цементит: структура, свойства, виды

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

Читайте также:  Забор из горбыля: особенности, технология, установка, декор + 30 фото идей

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

Цементит: структура, свойства, виды

Узловые критические точки диаграммы железо-углерод

Значение линий диаграммы состояния системы железо-углерод

Цементит: структура, свойства, виды

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.

Источник: https://HeatTreatment.ru/diagramma-sostoyaniya-zhelezo-uglerod

ЦЕМЕНТИТ

ЦЕМЕНТИТ – химическое соединение (карбид железа) в железоуглеродистых сплавах, и соответствующее максимальному содержанию углерода. Химическая формула цементита Fe3C, концентрация углерода – 6,67% (по массе) (по массе).

Как следует из диаграммы состояния железо – углерод, как фазовая составляющая цементит есть в железоуглеродистых сплавах уже при очень малых содержаниях углерода (сотые доли процента) и его количество возрастает по мере увеличения содержания углерода.

При этом цементитвходит в структурную составляющую перлит (смесь феррита и цементита), существующую в стали, наряду с ферритом. По мере увеличения содержания углерода доля перлита в структуре возрастает и, соответственно, возрастает количество цементита.

При содержании углерода 0,8% (эвтектоидная сталь) структура целиком состоит из перлита. При дальнейшем увеличении содержания углерода в стали, кроме перлита появляется избыточный цементит.

Вплоть до содержания углерода 1,7% железоуглеродистые сплавы называются сталями, при более высоких концентрациях до максимальной 6,67% – чугунами.

В процессе термической обработкив сталях цементит образуется при охлаждении и распаде твердого раствора (аустенита), в чугунах – непосредственно при охлаждении из жидкого состояния.

Соответствующая структурная составляющая из цементита и аустенита, называется ледебурит с общим содержанием углерода в 4,3%. При дальнейшем увеличении доли углерода при охлаждении из жидкости при охлаждении выделяются цементит (первичный) и ледебурит.

В чугунах, содержащих аустенит, при охлаждении происходит перлитное превращение, также приводящее к выделению цементита.

Цементит имеет высокую твердость и хрупкость, поэтому железоуглеродистые сплавы, содержащие много цементита, не поддаются пластической деформации.

Из-за различных механизмов образования цементита его микроструктура может очень сильно отличаться для сплавов с различным содержанием углерода после различных термических обработок и размеры кристаллов могут меняться от сотых долей до нескольких мм.

Кристаллическая структура цементита, определенная рентгеноструктурным анализом, – ромбическая. Ее элементарная ячейка, т.е. минимальная конфигурация атомов, параллельным переносом которой можно заполнить пространство, представляет собой прямоугольный параллелепипед с различными размерами по всем трем осям и определенным расположением атомов железа и углерода в ячейке.

Цементит: структура, свойства, виды

В легированных сталях могут возникать соединения с химической формулой, аналогичной формуле цементита, но с частью атомов железа, замещенных атомами легирующего элемента. Такие соединения носят название специальных карбидов.

Лев Миркин

Литература:

Зотов О.Г., Кисельников В.В., Кондратьев С.Ю. Физическое металловедение. СПБГТУ, 2001

Проверь себя!
Ответь на вопросы викторины «Неизвестные подробности»

Какой музыкальный инструмент не может звучать в закрытом помещении?

Источник: https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/TSEMENTIT.html

10 Диаграмма состояния железо-цементит

  • Тема № 6
  • Диаграмма состояния железо-цементит:
  • ФАЗЫ, СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

Железоуглеродистые сплавы — сложные системы, состоящие из 5-6 и более компонентов.

Один из них попадает в сплавы в процессе металлургического передела (кремний, сера, фосфор, кислород, водород и др.) — примеси, другие специально вводятся в сплавы для изменения их свойств в нужном направлении (хром, никель, молибден, вольфрам и др.

) — легирующие элементы.

Основными элементами, определяющими структуру и свойства, являются железо и углерод. Поэтому эти сложные сплавы рассматриваются как двойные — железо-углерод, а влияние примесей и легирующих элементов рассматривается самостоятельно в соответствующих разделах. На практике применяются сплавы, содержащие < 6% С.

Соединение Fe3С (цементит) неустойчиво (метастабильно) и при соответствующих условиях (медленном охлаждении) возможна кристаллизация из жидкости свободного углерода в виде графита.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие < 6,67% С могут кристаллизоваться по двум типам диаграмм: метастабильной - Fe - Fe3C, когда свободного углерода не образуется, и стабильной, Fe - С, когда возможно выделение свободного углерода из жидкости или в результате распада цементита.

Эти диаграммы изображают на одном графике, линии метастабильной диаграммы сплошные, стабильной пунктирные.

Железо — переходный металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 1,27 А, электронная формула 1S2 2S2 2Р6 3S2 ЗР6 3D6 4S2. Чистое железо содержит 0.001% примесей, техническое железо (армко) — 0,1 % примесей. Температура плавления — 1539 С, кипения — 3200 С.

В твердом состоянии в зависимости от температуры Fe иметь две полиморфные модификации альфа и гамма: Fe – α существует при температурах ниже 910о С и выше 1392 Со. В интервале 1392-1539 Со Fe — α часто обозначают как Fe – γ.

Кристаллическая решетка Fe — α объемноцентрированный куб с периодом решетки 2,8606 А.

До 768о С (точка Кюри) она ферромагнитна, при более высоких температурах — паромагнитна.

Кристаллическая решетка Fe- γ — гранецентрированный куб с периодом решетки 3,645 А. Плотность более высокая — 8,0 — 8,1 г/смЗ. Это значит, что при полиморфном превращении альфа —> гамма происходит сжатие, объемный эффект — 1% .

Полиморфное превращение связано с различием в изменении величины свободной энергии решетки ОЦК И ГЦК с температурой.

Температуры превращения в твердом состоянии называются критическими точками и обозначается буквой А с соответствующими индексами. Ас и Аг не совпадают вследствие теплового гистерезиса (все превращения происходят при некотором нагреве или переохлаждении).

Свойства технического железа при 200 С: НВ 80; 220-250 МПа.

Углерод. В природе встречается в двух аллотропических формах — алмаз и графит, атомный номер 6, плотность 2,5 г/смЗ, атомная масса 12, , атомный радиус 0,77 А, температура плавления 35000 С.

Углерод полиморфен. При атмосферном давлении устойчивая модификация графит. Решетка графита гексагональная, структура слоистая.

Слабые связи между параллельными слоями атомов и очень прочные (ковалентные) — между атомами внутри слоя.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения карбида железа- цементита, а в высокоуглеродистых сплавах в виде графита.

В системе железо-углерод различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы внедрения — феррит и аустенит, химические соединения — цементит и графит.

Феррит(Ф) — твердый раствор внедрения углерода (и других примесей) в железе, решетка, ОЦК. Различают альфа-феррит с максимальной растворимостью углерода 0,025% (при 7270С) и минимальной растворимостью 0,006% (при 200 С), и высокотемпературный — феррит с предельной растворимостью углерода 0,1% (при 14990С).

Атомы углерода располагаются в решетке феррита в центре грани куба, где имеется максимальная пора. Механические свойства альфа -феррита близки к свойствам армко-железа,. До 7680 С ферромагнитен.

 Аустенит (А)— твердый раствор внедрения углерода (и других примесей) в гамма-железе решетка ГЦК. Предельная растворимость — 2,14 (при 1147° С).

Атомы углерода в решетке гамма — железа располагаются в центре элементарной ячейки, где может поместиться сфера радиусом 0,41 атомного радиуса железа,т.е. близкая к атомному радиусу углерода и в дефектных областях кристалла.

Аустенит обладает высокой пластичностью и сравнительно низкой прочностью.

Цементит (Ц) — карбид железа, имеет сложную орторомбическую решетку. Температура плавления из-за его метастабильности при высоких температурах точно не установлена (1250-15500С). До 2210С (А) ферромагнитен.

Цементит имеет очень высокую твердость ( > НВ 800) и практически нулевую пластичность. Он может образовывать твердые растворы замещения и внедрения с другими элементами. При замещении атомов железа атомами других металлов образуется легированный цементит (Fe, W, Сг) . Графит — о его строениях свойствах рассказано выше.

Цементит: структура, свойства, виды

Диаграмма Fe-Fe3C

Рис. 6.1. Диаграмма Fe-Fe3C

Ось абсцисс двойная: показано содержание углерода и цементита. Уменьшение содержания углерода на 15% дает содержание цементита в любом сплаве в % по массе. Все сплавы в данной системе можно разбить на две группы: сплавы, содержащие до 2,14% называются сталями, сплавы, содержащие > 2,14% С — чугунами.

Точки А и Д соответствуют температурам плавления железа и цементита. Точки N (13920С) и (9100С) соответствуют полиморфному превращению, в чистом железе.

Линия АВСД — линия ликвидус. Участок АВ показывает температуру начала кристаллизации из жидкого сплава — феррита, ВС — температуру кристаллизации аустенита, СД — температуру кристаллизации первичного цементита (П1).

Линия AHJBECF -линия солидус. Ниже участка АН сплав затвердел и существует только феррит; HJB — линия перетектического превращения (равновесия).

Линия ECF (солидус) — линия эвтектического превращения (равновесия) соответствует кристаллизации из жидкости эвтектики, состоящей из кристаллов А и Ц — ледебурита (Л)

В ледебурите всегда 4,3% углерода, и он образуется при постоянной температуре (11470С). Превращение происходит во всех сплавах, содержащих 2,14 и < 6,67% С (чугунов).

Линии NH и NJ линии первого (высокотемпературного) полиморфного превращения в сплавах. В отличие от чистого железа полиморфные превращения в сплавах происходят в интервале температур.

Линия ES — линия ограниченной растворимости углерода в аустените. Ниже этой линии А пересыщен углеродом и из него выделяется высокоуглеродистая фаза — Ц (цифра II указывает, что Ц выделился из А).

  1. Линия PSK — линия эвтектоидного превращения (равновесия). Это превращение протекает у всех сплавов, при этом аустенит состава S распадается на смесь двух фаз: феррита состава Р и цементита
  2. Аs→ (Фр+Ц)-П
  3. Распад происходит при постоянной температуре (7270С ) и в образующемся эвтектоиде — перлите (П), всегда содержится 0,8% углерода.

Линии GS и GP — линии второго полиморфного превращения . Ниже линии GP полиморфное превращение заканчивается и структура сплава ферритная (А Ф).

Линия PQ — линия ограниченной растворимости углерода в феррите. Ниже этой линии феррит пересыщен углеродом и из него выделяется И (цифра III указывает, что Ц выделился из феррита).

На всех горизонтальных линиях в равновесии находятся три фазы, система нонвариатна, т.е. С=0.

Перитектическое превращение наблюдается у сплавов, содержащих от 0,1 до 0,5% С, эвтектическое — от 2,14 до 6,67 С и эвтектоидное — у всех сплавов, содержащих > 0,025 С.

Сплавы, содержащие < 0,8 называются доэвтектоидными, > 0,8%С — заэвтектоидными и 0,8%С эвтектоидными сталями. В зависимости от концентрации углерода сплавы, содержащие < 0,3%С называются низкоуглеродистыми, с 0,3 — 0,6%С —среднеуглеродистым, с > 0,7%С — высокоуглеродистыми сталями.

Кристаллизация стали. Все превращения начинаются в жидкости при некотором переохлаждении, т.е. при температурах ниже равновесной, лежащей на соответствующей линии диаграммы.

Перекристаллизация стали (превращения в твердом состоянии). Основа этих превращений — полиморфное превращение ГЦК — ОЦК и изменение растворимости углерода в аустените и феррите при изменении температуры.

Влияние компонентов и примесей на свойства стали

Сталь — многокомпонентный сплав. Избавиться от примесей затруднительно и дорого. Любая сталь состоит из 2-х фаз — Ф и Ц. Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода.

Частицы Ц служат препятствием движению дислокации, а следовательно повышают прочность, твердость и уменьшают пластичность. Повышение содержания углерода повышает температуру порога хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости примерно на 200С).

При содержании в стали более 1 — 1,1% С возникает хрупкость в отожженном состоянии.

Кремний и марганец попадают в сталь при раскислении, содержание Si = 0,35 — 0,4 %, Mn = 0,5 — 0,8%. Кремний снижает способность стали к вытяжке, холодной высадке. Поэтому стали, предназначенные для холодной штамповке надо брать с пониженным кремнием.

Сера образует FeS, который в свою очередь образует с железом легкоплавкую эвтектику (Т = 9880С). Располагаясь по границам зерен, она плавится при температурах ковки и штамповки вследствие чего возникает красноломкость. Марганец нейтрализует серу (MnS). Сернистые включения понижают механические свойства. Содержание серы не должно превышать 0,05 — 0,06%.

Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кр. решетку (раствор внедрения), резко снижает пластические и вязкие свойства. Каждый 0,01% фосфора повышают порог хладноломкости на 20 — 250С. Склонен к ликвации.

Азот, водород, кислород. Образуют хрупкие неметаллические включения (оксиды, нитриды) по границам зерен, в результате возрастает хрупкость. Водород охрупчивает сталь.

Источник: https://studizba.com/lectures/129-inzhenerija/1918-metallovedenie/37451-10-diagramma-sostojanija-zhelezo-cementit.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector