Iron-carbon diagram. Diagrammet over tilstanden af ​​jern-kulstofsystemet

Det er svært at forestille sig moderne konstruktionteknologi, maskinteknik og andre vigtige industrier uden brug af de vigtigste metallegeringer af stål og støbejern. Deres produktion overstiger alle andre snesevis af gange.

I betragtning af stål og støbejern set fra et synspunktsådan en videnskab som metallurgi, den centrale figur er diagrammet over tilstanden af ​​jern-carbonlegeringer, som giver dig mulighed for at få detaljerede ideer om sammensætning og strukturelle transformationer i disse materialer. Og stift også bekendtskab med deres fasesammensætning.

Historie om opdagelse

For første gang nogensinde i legeringer (stål og støbejern)der er visse (særlige) punkter, påpegede den store metallurg og opfinder - Dmitry Konstantinovich Chernov (1868). Det var ham, der gjorde en vigtig opdagelse om polymorfe transformationer og er en af ​​skaberne af jern-carbon fasediagrammet. Ifølge Chernov har placeringen af ​​disse punkter på diagrammet et direkte forhold til procentdelen af ​​kulstof.

Og hvad der er mest interessant, det er fra øjeblikket af denne opdagelse, at en sådan videnskab som metallografi begynder sit liv.

Diagrammet over jern-carbonlegeringer er resultatet af et omhyggeligt arbejde fra forskere fra flere lande i verden. Alle bogstaver til store punkter og faser i diagrammet er internationale.

Diagram koncept

Grafisk fremstilling af de processer, der forekommer ilegering med en ændring i temperatur, koncentration af stoffer, tryk, kaldes et tilstandsdiagram. Det giver dig mulighed for visuelt og visuelt at se alle de transformationer, der finder sted i legeringer.

Jern-kulstofdiagramelementer

Kort information om hvert af disse elementer.

Jern er et sølvgråt metal. Specifik tyngdekraft - 7, 86 g / cm3. Det har et smeltepunkt på 1539 ° C.

Når jern og andre metaller interagerer, dannes forbindelser, kaldet substitutionsopløsninger. Hvis det er med ikke-metaller, for eksempel med kulstof eller hydrogen, så med interstitielle opløsninger.

Jern har evnen til at være oprindeligtsolid, at være i flere stater, som i metalvidenskab normalt kaldes "alfa" og "gamma". Denne kvalitet kaldes polymorfisme. Mere om dette senere i artiklen.

Kulstof er et ikke-metal. Hvis det fungerer som grafit, er smeltepunktet 3500 ° C. Hvis det er diamant - 5000 ° C. Tætheden af ​​kulstof er 2,5 g / cm³... Det har også polymorfe egenskaber.

I jern-carbonlegeringer danner dette element en fast opløsning, som indeholder en ferrum kaldet cementit (Fe₃C). Danner også grafit i støbejern.

Jern-carbon legering diagram

Som et resultat af interaktionen mellem diagrammets komponenter med hinanden opnås cementit - en kemisk forbindelse.

Som regel betragtes alle stabile forbindelser, når de studerer diagrammet af studerende i metalvidenskab, som komponenter, og selve det grafiske billede undersøges i dele.

Også i klasseværelset er en kølekurve bygget i henhold til jern-kulstofdiagrammet: procentdelen af ​​kulstof er valgt, og derefter er det nødvendigt at bestemme hvilken fase, der svarer til hvilken temperatur på diagrammet.

For dette, ud over selve diagrammet,tegne et koordinatsystem (temperatur-tid). Og start fra de maksimale grader, bevæg dig gradvist nedad og skildrer en kurve og sektioner af overgang fra en fase til en anden. I dette tilfælde er det nødvendigt at navngive dem og angive typen af ​​krystalgitter.

Dernæst vil vi overveje mere detaljeret det meget grafiske billede af jern-carbon-tilstandsdiagrammet.

For det første har den to former (dele):

• jern-cementit;
• jern-grafit.

For det andet er legeringer, hvor de vigtigste "aktører" er ferrum og kulstof, konventionelt opdelt i:

• blive;
• støbejern.

Hvis kulstoffet i legeringen er mindre end eller lig med 2,14% (punkt E på diagrammet), så er dette stål, hvis det er mere end 2,14%, er det støbejern. Af denne grund er diagrammet opdelt i to faser.

Polymorfe transformationer

Flere detaljer om hver fase er nedenfor i artiklen. Kort sagt sker implementeringen af ​​de vigtigste transformationer ved særlige temperaturer.

Jernens tilstand betegnes som α-ferrum (ved temperaturer mindre end 911 ° C). Krystalgitteret er en volumetrisk ansigtscentreret terning. Eller bcc. Afstanden mellem atomerne i et sådant gitter er ret høj.

Jern erhverver gammamodifikationen, det vil sige, at det betegnes som y-ferrum (911-1392 ° C). Krystalgitteret er en ansigtscentreret terning (FCC). I dette gitter er afstanden mellem atomer lavere end i bcc.

Ved overgangen fra α-ferrum til γ-ferrum, stoffets volumenbliver mindre. Årsagen til dette er krystalgitteret - dets udseende. Fordi fcc gitteret har en mere ordnet atomtilstand end bcc gitter.

Hvis overgangen udføres i den modsatte retning-fra γ-ferrum til α-ferrum, øges legeringens volumen.

Når temperaturen når 1392 ° C (menmindre end smeltepunktet for jern 1539 ° C), så bliver α-ferrum til δ-ferrum, men dette er ikke dens nye form, men kun en sort. Desuden er δ-ferrum en ustabil struktur.

Egenskaber for kommercielt rent jern

Jernmagnetiske egenskaber ved forskellige temperaturer:

• mindre end 768 ° С - ferromagnetisk;
• mere end 768 ° C - paramagnetisk.

Og temperaturpunktet på 768 ° C kaldes punktet for magnetisk transformation eller Curie -punktet.

Egenskaberne ved kommercielt rent jern:

• hårdhed - 80 HB;
• midlertidig modstand - 250 MPa;
• flydepunkt - 120 MPa;
• forlængelse 50%;
• relativ indsnævring - 80%;
• højt elasticitetsmodul.

Jerncarbid

Grafisk afbildning af komponentdelen i jern-carbon-diagrammet: Fe3C. Stoffet kaldes jerncarbid eller cementit. Det er kendetegnet ved:

1. Kulstofindholdet er 6,67%.
2. Den specifikke tyngdekraft er 7,82%.
3. Krystalgitteret har en rhombisk form, der består af oktaeder.
4. Smeltning sker ved en temperatur på ≈1260 ° C.
5. Lav ferromagnetiske egenskaber ved lave temperaturer.
6. Hårdhed - 800 HB.
7. Plasticiteten er praktisk talt nul.
8. Jerncarbid danner solide løsningersubstitutioner, hvor kulstofatomer erstattes af ikke -metale atomer (nitrogen) og jernatomer - af metaller (chrom, wolfram, mangan). Denne faste sammensætning kaldes legeret.

Som nævnt ovenfor er cementitustabil fase, og grafit er stabil. Da det første stof er en ustabil forbindelse, nedbrydes det under visse temperaturforhold.

Jern-kulstof-diagrammet indeholder følgende tilstande:

• flydende fase;
• ferrit;
• austenit;
• cementit;
• grafit;
• perlit;
• ledeburit.

Lad os overveje hver af dem i detaljer.

Flydende fase

Ferrum opløser carbon i en flydende tilstand. Dette er uanset hvilken andel de er i procent. Resultatet er en homogen flydende masse.

Ferrit

Det er en solid løsning til introduktion af kulstof tilα-ferrum. En lille mængde urenheder kan også inkluderes. Men ferrit har næsten de samme kvaliteter som rent jern. Hvis du ser på strukturen under et mikroskop, kan du se de polyhedrale korn af en lys tone.

Det sker:

• lav temperatur (ved en temperatur på 727 ° C er opløseligheden af ​​kulstof 0,02%);
• høj temperatur (ved 1499 ° C er opløseligheden af ​​kulstof 0,1%), eller det kaldes δ-ferrum.

Ferrit egenskaber:

• hårdhed - 80-120 HB;
• midlertidig modstand - 300 MPa;
• forlængelse - 50%;
• har gode magnetiske egenskaber (op til en temperatur på 768 ° C).

Austenit

Det er en solid løsning til introduktion af kulstof tilγ-ferrum. Der kan også være en lille mængde urenheder. I krystalgitteret er kulstof placeret i midten af ​​fcc -cellen. Når man undersøger strukturen af ​​austenit under et mikroskop, er det synligt som lette korn af polyhedral form med tvillinger.

Besidder følgende egenskaber:

1. Opløseligheden af ​​kulstof i y-ferrum er 2,14% (ved en temperatur på 1147 ° C).
2. Austenit -hårdhed 180 HB;
3. Forlængelse - 40-50%;
4. Gode ​​paramagnetiske egenskaber.

Cementit og dets former

Til stede i følgende faser: Ts1, Ts2, Ts3 (primær, sekundær og tertiær cementit).

Hvad angår de fysisk -kemiske indikatorer for disse tre tilstande, er de omtrent ens. De mekaniske egenskaber påvirkes af partiklernes størrelse, deres antal og placering.

Diagrammet viser også, at:

• C1 dannes fra en flydende tilstand (under et mikroskop er det synligt som store plader);
• C2 - fra austenit (placeret omkring dets korn i form af et gitter);
• C3 - fra ferrit (placeret ved grænserne for ferritkorn i form af små partikler).

Perlit og Ledeburit

En blanding af ferrit og cementit kaldes perlit. Det dannes under nedbrydning af austenit (ved temperaturer mindre end 727 ° C). Når den er forstørret, er denne struktur i form af plader eller korn.

Med et gradvist fald i temperaturen er pearlite til stede i alle legeringer med et kulstofindhold på 0,02-6,67%.

Ledeburit er en blanding af austenit og cementit. Det dannes fra væskefasen, når det afkøles til temperaturer under 1147 ° C.

Støbejern

Legeringer på jern-carbon-diagrammet derindeholder mere end 2,14% kulstof, kaldes støbejern. De er meget skrøbelige. Tværsnittet af sådant støbejern har en lys tone, og derfor kaldes det hvidt støbejern.

På diagrammet er dette punkt C, kaldet det eutektiske,med et tilsvarende kulstofindhold på 4,3%. Krystallisering danner en blanding af austenit og cementit, samlet kaldet ledeburit. Fasesammensætningen er konstant.

Når kulstofkoncentrationen er mindre end 4,3%(hypoeutektisk støbejern) under krystallisation frigives austenit fra opløsningen. Desuden skiller C2 sig ud fra det. Og ved 727 ° C bliver austenit til perlite. Den strukturelle tilstand af sådant støbejern er som følger: store områder af mørkfarvet perlite.

I hypereutektisk hvidt støbejern (kulstof mere4,3%) ved afkøling sker strukturering med dannelsen af ​​C1 -krystaller. Yderligere transformationer udføres allerede i fast tilstand. Strukturen er ledeburit, som er baggrunden for perlitfelter i mørke toner. Og store sømme er C1.

fund

Det er umuligt at opnå absolut balance, både fysisk og kemisk, undtagen under særlige laboratorieforhold.

I praksis kan ligevægten være tæt påabsolut, men under visse betingelser: en langsom stigning eller fald i temperaturen af ​​legeringen er tilstrækkelig, som vil blive opretholdt i lang tid.