Диаграма желязо-въглерод. Диаграмата на състоянието на желязо-въглеродната система

Трудно е да си представим модерното строителствотехнологии, машиностроене и други важни индустрии без използването на основните метални сплави от стомана и чугун. Производството им надвишава всички останали десетки пъти.

Като се има предвид стоманата и чугуна от гледна точкатакава наука като металургията, централната фигура е диаграмата на състоянието на желязо-въглеродните сплави, която ви позволява да получите подробни идеи за състава и структурните трансформации в тези материали. И също така се запознайте с техния фазов състав.

История на откритието

За първи път в сплави (стомани и чугуни)има определени (специални) точки, посочи големият металург и изобретател - Дмитрий Константинович Чернов (1868). Именно той направи важно откритие за полиморфните трансформации и е един от създателите на фазовата диаграма желязо-въглерод. Според Чернов позицията на тези точки на диаграмата има пряка връзка с процента въглерод.

И най -интересното е, че от момента на това откритие такава наука като металографията започва своя живот.

Диаграмата на желязо-въглеродните сплави е резултат от старателна работа на учени от няколко страни по света. Всички букви за основните точки и фази в диаграмата са международни.

Концепция на диаграма

Графично представяне на процесите, протичащи всплав с промяна в температурата, концентрацията на веществата, налягането, се нарича диаграма на състоянието. Тя ви позволява визуално и визуално да видите всички трансформации, които се случват в сплави.

Елементи на диаграма желязо-въглерод

Кратка информация за всеки от тези елементи.

Желязото е сребристо сив метал. Специфично тегло - 7, 86 g / cm3. Точката на топене е 1539 ° C.

При взаимодействие на желязо и други метали се образуват съединения, наречени заместващи разтвори. Ако с неметали, например, с въглерод или водород, тогава с интерстициални разтвори.

Желязото има способността, като първоначалнотвърди, да бъдат в няколко състояния, които в науката за металите обикновено се наричат ​​"алфа" и "гама". Това качество се нарича полиморфизъм. Повече за това по -късно в статията.

Въглеродът е неметал. Ако действа като графит, тогава точката на топене е 3500 ° C. Ако като диамант - 5000 ° C. Плътността на въглерода е 2,5 g / cm³... Има и полиморфни свойства.

В железо-въглеродните сплави този елемент образува твърд разтвор, който съдържа ферум, наречен циментит (Fe₃° С). Също така образува графит в чугуни.

Диаграма на желязо-въглеродна сплав

В резултат на взаимодействието на компонентите на диаграмата помежду си се получава цементит - химично съединение.

Като правило, когато изучават диаграмата от студенти по металознание, всички стабилни съединения се разглеждат като компоненти, а самото графично изображение се разглежда на части.

Също така в класната стая се изгражда крива на охлаждане според диаграмата желязо-въглерод: избира се процентът на въглерод и след това е необходимо да се определи коя фаза съответства на коя температура на диаграмата.

За това, в допълнение към самата диаграма,начертайте координатна система (температура-време). И започвайки от максималните градуси, се движете постепенно надолу, изобразявайки крива и участъци от прехода от една фаза в друга. В този случай е необходимо да ги назовем и да посочим вида на кристалната решетка.

След това ще разгледаме по-подробно самото графично изображение на диаграмата на състоянието желязо-въглерод.

Първо, той има две форми (части):

• желязо-циментит;
• желязо-графит.

Второ, сплавите, в които основните „действащи лица“ са ферум и въглерод, условно се разделят на:

• да стане;
• чугуни.

Ако въглеродът в сплавта е по -малък или равен на 2,14% (точка Е на диаграмата), тогава това е стомана, ако повече от 2,14%, това е чугун. Поради тази причина диаграмата е разделена на две фази.

Полиморфни трансформации

Повече подробности за всяка фаза са по -долу в статията. Накратко, изпълнението на основните трансформации се случва при специални температури.

Състоянието на желязото е обозначено като α-ферум (при температури под 911 ° C). Кристалната решетка е обемно лицево центриран куб. Или bcc. Разстоянието между атомите на такава решетка е доста голямо.

Желязото придобива гама модификация, тоест е означено като γ-ферум (911-1392 ° C). Кристалната решетка е лицево центриран куб (FCC). В тази решетка разстоянието между атомите е по -ниско, отколкото в ОЦК.

При прехода на α-ферум към γ-ферум, обемът на веществотостава по -малък. Причината за това е кристалната решетка - нейният вид. Тъй като ГЦК решетката има по -подредено атомно състояние от решетката ОЦК.

Ако преходът се извърши в обратна посока-от γ-ферум към α-ферум, тогава обемът на сплавта се увеличава.

Когато температурата достигне 1392 ° C (нопо-малко от точката на топене на желязо 1539 ° C), тогава α-ферумът се превръща в δ-ферум, но това не е новата му форма, а само разновидност. Освен това δ-ферумът е нестабилна структура.

Свойства на комерсиално чисто желязо

Магнитни свойства на желязото при различни температури:

• по -малко от 768 ° С - феромагнитно;
• повече от 768 ° C - парамагнитно.

Температурната точка от 768 ° C се нарича точка на магнитно преобразуване или точка на Кюри.

Свойствата на комерсиално чистото желязо:

• твърдост - 80 HB;
• временно съпротивление - 250 МРа;
• граница на добив - 120 МРа;
• удължение 50%;
• относително стесняване - 80%;
• висок модул на еластичност.

Железен карбид

Графичен изглед на съставната част на диаграмата желязо-въглерод: Fe3C. Веществото се нарича железен карбид или циментит. Характеризира се с:

1. Съдържанието на въглерод е 6.67%.
2. Специфичното тегло е 7,82%.
3. Кристалната решетка има ромбична форма, състояща се от октаедри.
4. Топенето се случва при температура ≈1260 ° C.
5. Ниски феромагнитни свойства при ниски температури.
6. Твърдост - 800 HB.
7. Пластичността е практически нулева.
8. Железният карбид образува твърди разтворизамествания, при които въглеродните атоми се заменят с неметални атоми (азот), а железните атоми - с метали (хром, волфрам, манган). Този твърд състав се нарича легиран.

Както бе отбелязано по -горе, цементитът енестабилна фаза, а графитът е стабилен. Тъй като първото вещество е нестабилно съединение, то се разлага при определени температурни условия.

Диаграмата желязо-въглерод съдържа следните състояния:

• течна фаза;
• ферит;
• аустенит;
• цементит;
• графит;
• перлит;
• ледебурит.

Нека разгледаме всеки от тях подробно.

Течна фаза

Ферумът в течно състояние добре разтваря въглерода. Това е независимо от това какъв процент те са в проценти. Резултатът е хомогенна течна маса.

Ферит

Това е твърд разтвор на въвеждането на въглерод вα-ферум. Може да се включи и малко количество примеси. Но феритът има почти същите качества като чистото желязо. Ако погледнете структурата под микроскоп, можете да видите многогранните зърна със светъл тон.

Случва се:

• нискотемпературна (при температура 727 ° C, разтворимостта на въглерода е 0,02%);
• висока температура (при 1499 ° C, разтворимостта на въглерода е 0,1%) или се нарича δ-ферум.

Феритни свойства:

• твърдост - 80-120 НВ;
• временно съпротивление - 300 МРа;
• удължение - 50%;
• има добри магнитни свойства (до температура от 768 ° C).

Аустенит

Това е твърд разтвор на въвеждането на въглерод вγ-ферум. Може да има и малко количество примеси. В кристалната решетка въглеродът се намира в центъра на ГЦК клетката. При изследване на структурата на аустенита под микроскоп, той се вижда като леки зърна с полиедрална форма с близнаци.

Притежава следните характеристики:

1. Разтворимостта на въглерода в γ-ферума е 2,14% (при температура от 1147 ° C).
2. Твърдост на аустенита 180 HB;
3. Удължение - 40-50%;
4. Добри парамагнитни свойства.

Цементитът и неговите форми

Присъства в следните фази: Ts1, Ts2, Ts3 (първичен, вторичен и третичен циментит).

Що се отнася до физико -химичните показатели на тези три състояния, те са приблизително равни. Механичните свойства се влияят от размера на частиците, техния брой и местоположение.

Диаграмата също така показва, че:

• С1 се образува от течно състояние (под микроскоп се вижда като големи плочи);
• С2 - от аустенит (разположен около зърната му под формата на решетка);
• C3 - от ферит (разположен на границите на феритни зърна под формата на малки частици).

Перлит и ледебурит

Смес от ферит и циментит се нарича перлит. Образува се по време на разлагането на аустенит (при температури под 727 ° C). Когато се увеличи, тази структура е под формата на плочи или зърна.

С постепенно понижаване на температурата, перлитът присъства във всички сплави със съдържание на въглерод 0,02-6,67%.

Ледебуритът е смес от аустенит и циментит. Той се образува от течната фаза при охлаждане до температури под 1147 ° C.

Излято желязо

Сплави на диаграма желязо-въглерод, коитосъдържат повече от 2,14% въглерод, се наричат ​​чугуни. Те са силно крехки. Напречното сечение на такъв чугун има светъл тон и затова се нарича бял чугун.

На диаграмата това е точка С, наречена евтектика,със съответно съдържание на въглерод от 4,3%. Кристализацията образува смес от аустенит и циментит, наричани заедно ледебурит. Фазовият състав е постоянен.

Когато концентрацията на въглерод е по -малка от 4,3%(хипоевтектичен чугун) по време на кристализацията, аустенитът се освобождава от разтвора. Освен това, C2 се откроява от него. А при 727 ° C аустенитът се превръща в перлит. Структурното състояние на такъв чугун е следното: големи площи от перлит с тъмен цвят.

В хиперевтектичен бял чугун (въглерод повече4,3%) при охлаждане настъпва структуриране с образуването на С1 кристали. Допълнителни трансформации се извършват вече в твърдо състояние. Структурата е ледебурит, който е фонът за перлитни полета с тъмен тон. А големите шевове са С1.

данни

Невъзможно е да се постигне абсолютен баланс, както физически, така и химически, освен в специални лабораторни условия.

На практика равновесието може да бъде близко доабсолютно, но при определени условия: достатъчно е бавно повишаване или намаляване на температурата на сплавта, което ще се поддържа дълго време.