Ferro-ugljikov dijagram. Dijagram stanja sustava željezo-ugljik

Teško je zamisliti modernu gradnjutehnologija, strojarstvo i druge važne industrije bez upotrebe glavnih metalnih legura čelika i lijevanog željeza. Njihova proizvodnja desetke puta nadmašuje sve ostale.

S obzirom na čelik i lijevano željezo sa stajalištatakve znanosti kao što je znanost o metalu, središnja je figura dijagram stanja legura željeza i ugljika, koji vam omogućuje da dobijete detaljne ideje o sastavu i strukturnim transformacijama u tim materijalima. I također se upoznati s njihovim faznim sastavom.

Povijest otkrića

Po prvi put u legurama (čelik i lijevano željezo)postoje određene (posebne) točke, istaknuo je veliki metalurg i izumitelj - Dmitrij Konstantinovič Černov (1868). On je donio važno otkriće o polimorfnim transformacijama i jedan je od tvoraca faznog dijagrama željezo-ugljik. Prema Chernovu, položaj ovih točaka na dijagramu ima izravan odnos s postotkom ugljika.

I što je najzanimljivije, od trenutka ovog otkrića takva znanost kao što je metalografija počinje svoj život.

Dijagram legura željeza i ugljika rezultat je mukotrpnog rada znanstvenika iz nekoliko zemalja svijeta. Sva slova za glavne točke i faze na dijagramu su međunarodna.

Koncept grafikona

Grafički prikaz procesa koji se odvijaju ulegura s promjenom temperature, koncentracije tvari, tlaka, naziva se dijagram stanja. Omogućuje vam vizualni i vizualni pregled svih transformacija koje se događaju u slitinama.

Elementi dijagrama željezo-ugljik

Kratke informacije o svakom od ovih elemenata.

Željezo je srebrno sivi metal. Specifična težina - 7, 86 g / cm3. Talište mu je 1539 ° C.

Prilikom interakcije željeza i drugih metala nastaju spojevi koji se nazivaju supstitucijske otopine. Ako s nemetalima, na primjer, s ugljikom ili vodikom, onda s međuprostornim otopinama.

Željezo ima sposobnost, budući da je izvornočvrsta, da se nalazi u nekoliko stanja, koja se u znanosti o metalu obično nazivaju "alfa" i "gama". Ta se kvaliteta naziva polimorfizam. Više o tome kasnije u članku.

Ugljik je nemetal. Ako djeluje kao grafit, tada je talište 3500 ° C. Ako kao dijamant - 5000 ° C. Gustoća ugljika je 2,5 g / cm³... Također ima polimorfna svojstva.

U slitinama željeza i ugljika ovaj element tvori čvrstu otopinu koja sadrži željez nazvan cementit (Fe₃C). Također stvara grafit u lijevanom željezu.

Dijagram slitine željeza i ugljika

Kao rezultat međusobne interakcije komponenata dijagrama, dobiva se cementit - kemijski spoj.

U pravilu, pri proučavanju dijagrama od strane studenata metalskih znanosti, svi stabilni spojevi smatraju se komponentama, a sama grafička slika ispituje se u dijelovima.

Također, u učionici se gradi krivulja hlađenja prema dijagramu željezo-ugljik: odabire se postotak ugljika, a zatim je potrebno na dijagramu utvrditi koja faza odgovara kojoj temperaturi.

Za to, pored samog dijagrama,nacrtati koordinatni sustav (temperatura-vrijeme). I počevši od maksimalnih stupnjeva, postupno se pomičite prema dolje, prikazujući krivulju i dijelove prijelaza iz jedne faze u drugu. U tom slučaju potrebno ih je imenovati i naznačiti vrstu kristalne rešetke.

Zatim, razmotrimo detaljnije samu grafičku sliku dijagrama stanja željezo-ugljik.

Prvo, ima dva oblika (dijela):

• željezo-cementit;
• željezo-grafit.

Drugo, legure, u kojima su glavni "akteri" ferum i ugljik, konvencionalno se dijele na:

• postati;
• lijevano željezo.

Ako je ugljik u leguri manji ili jednak 2,14% (točka E na dijagramu), onda je to čelik, ako je više od 2,14%, to je lijevano željezo. Iz tog razloga, dijagram je podijeljen u dvije faze.

Polimorfne transformacije

Više pojedinosti o svakoj fazi dolje je u članku. Ukratko, provedba glavnih transformacija događa se na posebnim temperaturama.

Stanje željeza označeno je kao α-ferrum (na temperaturama ispod 911 ° C). Kristalna rešetka je volumetrijska kocka usmjerena prema licu. Ili skrivena kopija. Udaljenost između atoma takve rešetke prilično je velika.

Željezo dobiva gama modifikaciju, odnosno označava se kao γ-ferrum (911-1392 ° C). Kristalna rešetka je kocka usmjerena na lice (FCC). U ovoj rešetki udaljenost između atoma manja je nego u bcc.

Pri prijelazu α-željeza u γ-željez, volumen tvaripostaje manji. Razlog tome je kristalna rešetka - njezin izgled. Budući da fcc rešetka ima uređenije atomsko stanje od bcc rešetke.

Ako se prijelaz izvede u suprotnom smjeru-od γ-željeza do α-željeza, tada se volumen legure povećava.

Kad temperatura dosegne 1392 ° C (alimanje od tališta željeza 1539 ° C), tada se α-ferrum pretvara u δ-ferrum, ali to nije njegov novi oblik, već samo sorta. Štoviše, δ-ferrum je nestabilna struktura.

Svojstva komercijalno čistog željeza

Magnetska svojstva željeza pri različitim temperaturama:

• manje od 768 ° C - feromagnetsko;
• više od 768 ° C - paramagnetski.

Temperaturna točka od 768 ° C naziva se točkom magnetske transformacije ili Curiejevom točkom.

Svojstva komercijalno čistog željeza:

• tvrdoća - 80 HB;
• privremeni otpor - 250 MPa;
• granica popuštanja - 120 MPa;
• produljenje 50%;
• relativno suženje - 80%;
• visok modul elastičnosti.

Željezni karbid

Grafički prikaz sastavnog dijela dijagrama željezo-ugljik: Fe3C. Tvar se naziva željezov karbid ili cementit. Karakterizira ga:

1. Sadržaj ugljika je 6,67%.
2. Specifična težina je 7,82%.
3. Kristalna rešetka ima rombični oblik koji se sastoji od oktaedra.
4. Taljenje se događa pri temperaturi od ≈1260 ° C.
5. Niska feromagnetna svojstva pri niskim temperaturama.
6. Tvrdoća - 800 HB.
7. Plastičnost je praktički nula.
8. Željezni karbid stvara čvrste otopinesupstitucije, u kojima su atomi ugljika zamijenjeni atomima nemetala (dušik), a atomi željeza - metalima (krom, volfram, mangan). Ovaj čvrsti sastav naziva se legiran.

Kao što je gore navedeno, cementit jenestabilna faza, a grafit stabilan. Budući da je prva tvar nestabilan spoj, ona se pod određenim temperaturnim uvjetima raspada.

Dijagram željezo-ugljik sadrži sljedeća stanja:

• tekuća faza;
• ferit;
• austenit;
• cementit;
• grafit;
• perlit;
• ledeburit.

Razmotrimo svaki od njih detaljno.

Tekuća faza

Ferum u tekućem stanju dobro otapa ugljik. To je bez obzira na njihov postotni udio. Rezultat je homogena tekuća masa.

Ferit

To je kruta otopina uvođenja ugljika uα-ferrum. Može se uključiti i mala količina nečistoća. No ferit ima gotovo iste kvalitete kao i čisto željezo. Ako pogledate strukturu pod mikroskopom, možete vidjeti poliedrska zrna svijetlog tona.

Dešava se:

• niske temperature (na temperaturi od 727 ° C, topljivost ugljika je 0,02%);
• visoke temperature (na 1499 ° C, topljivost ugljika je 0,1%), ili se naziva δ-ferrum.

Svojstva ferita:

• tvrdoća - 80-120 HB;
• privremeni otpor - 300 MPa;
• produljenje - 50%;
• ima dobra magnetska svojstva (do temperature od 768 ° C).

Austenit

To je kruta otopina uvođenja ugljika uγ-ferrum. Također može postojati mala količina nečistoća. U kristalnoj rešetki ugljik se nalazi u središtu fcc ćelije. Prilikom ispitivanja strukture austenita pod mikroskopom, vidljivo je kao svjetlosna zrna poliedrastog oblika s blizancima.

Ima sljedeće karakteristike:

1. Topljivost ugljika u γ-željezu je 2,14% (na temperaturi od 1147 ° C).
2. Tvrdoća austenita 180 HB;
3. Produženje - 40-50%;
4. Dobra paramagnetska svojstva.

Cementit i njegovi oblici

Prisutni u takvim fazama: Ts1, Ts2, Ts3 (primarni, sekundarni i tercijarni cementit).

Što se tiče fizikalno -kemijskih pokazatelja ta tri stanja, oni su približno jednaki. Na mehanička svojstva utječe veličina čestica, njihov broj i mjesto.

Dijagram također pokazuje da:

• C1 nastaje iz tekućeg stanja (pod mikroskopom je vidljivo kao velike ploče);
• C2 - iz austenita (nalazi se oko njegovih zrna u obliku rešetke);
• C3 - iz ferita (nalazi se na granicama zrna ferita u obliku malih čestica).

Perlit i Ledeburit

Mješavina ferita i cementita naziva se perlit. Nastaje tijekom razgradnje austenita (na temperaturama nižim od 727 ° C). Kad se poveća, ova je struktura u obliku ploča ili zrna.

S postupnim snižavanjem temperature, perlit je prisutan u svim legurama sa sadržajem ugljika od 0,02-6,67%.

Ledeburit je mješavina austenita i cementita. Nastaje iz tekuće faze kada se ohladi na temperature ispod 1147 ° C.

Lijevano željezo

Legure na dijagramu željezo-ugljik kojesadrže više od 2,14% ugljika, nazivaju se lijevano željezo. Vrlo su krhki. Poprečni presjek takvog lijeva ima svijetli ton i zato se naziva bijelim lijevom.

Na dijagramu je to točka C, koja se naziva eutektika,s odgovarajućim sadržajem ugljika od 4,3%. Kristalizacija tvori mješavinu austenita i cementita, zajedno nazvanu ledeburit. Fazni sastav je stalan.

Kad je koncentracija ugljika manja od 4,3%(hipoeutektičko lijevano željezo) tijekom kristalizacije iz otopine se oslobađa austenit. Nadalje, C2 se izdvaja od njega. Austenit se na 727 ° C pretvara u biserit. Strukturno stanje takvog lijevanog željeza je sljedeće: velika područja tamno obojenog perlita.

U hipereutektičkom bijelom lijevu (željezo više4,3%) pri hlađenju dolazi do strukturiranja stvaranjem C1 kristala. Daljnje transformacije provode se već u čvrstom stanju. Struktura je ledeburit, što je pozadina za polja perlita tamnih tonova. A veliki šavovi su C1.

nalazi

Nemoguće je postići apsolutnu ravnotežu, fizičku i kemijsku, osim u posebnim laboratorijskim uvjetima.

U praksi, ravnoteža može biti blizuapsolutno, ali pod određenim uvjetima: dovoljno je sporo povećanje ili smanjenje temperature legure, što će se održati dugo vremena.