Diagram železo-uhlík. Stavový diagram systému železo-uhlík

Je ťažké si predstaviť modernú výstavbutechnológie, strojárstvo a ďalšie dôležité odvetvia bez použitia hlavných kovových zliatin ocele a liatiny. Ich produkcia niekoľkonásobne prevyšuje všetky ostatné.

Z hľadiska ocele a liatinytaká veda, ako je metalurgia, ústrednou postavou je diagram stavu zliatin železa a uhlíka, ktorý vám umožňuje získať podrobné predstavy o zložení a štrukturálnych premenách v týchto materiáloch. A tiež sa zoznámiť s ich fázovým zložením.

Objav príbehu

Prvýkrát v zliatinách (ocele a liatiny)existujú určité (špeciálne) body, poukázal veľký metalurg a vynálezca - Dmitrij Konstantinovič Černov (1868). Bol to on, kto urobil dôležitý objav o polymorfných premenách a je jedným z tvorcov fázového diagramu železo-uhlík. Podľa Černova má poloha týchto bodov na diagrame priamy vzťah s percentom uhlíka.

A čo je najzaujímavejšie, od okamihu tohto objavu začína svoj život taká veda, ako je metalografia.

Diagram zliatin železa a uhlíka je výsledkom starostlivej práce vedcov z viacerých krajín sveta. Všetky nápisy pre hlavné body a fázy v diagrame sú medzinárodné.

Koncept grafu

Grafické znázornenie procesov prebiehajúcich vzliatina so zmenou teploty, koncentrácie látok, tlaku, sa nazýva stavový diagram. Umožňuje vám vizuálne a vizuálne vidieť všetky premeny, ktoré prebiehajú v zliatinách.

Prvky železo-uhlíkového diagramu

Stručné informácie o každom z týchto prvkov.

Železo je strieborný sivý kov. Špecifická hmotnosť - 7, 86 g / cm3. Má teplotu topenia 1539 °C.

Pri interakcii železa a iných kovov vznikajú zlúčeniny nazývané substitučné roztoky. Ak s nekovmi, napríklad s uhlíkom alebo vodíkom, potom s intersticiálnymi roztokmi.

Železo má schopnosť, byť pôvodnepevné, byť v niekoľkých stavoch, ktoré sa vo vede o kovoch zvyčajne nazývajú "alfa" a "gama". Táto vlastnosť sa nazýva polymorfizmus. Viac o tom neskôr v článku.

Uhlík je nekov. Ak pôsobí ako grafit, potom je teplota topenia 3500 ° C. Ak ako diamant - 5000 ° C. Hustota uhlíka je 2,5 g / cm³... Má tiež polymorfné vlastnosti.

V zliatinách železo-uhlík tvorí tento prvok tuhý roztok, ktorý obsahuje železo nazývané cementit (Fe₃C). Tiež tvorí grafit v liatinách.

Schéma zliatiny železo-uhlík

V dôsledku vzájomného pôsobenia zložiek diagramu sa získa cementit - chemická zlúčenina.

Pri štúdiu diagramu študentmi kovovej vedy sa spravidla všetky stabilné zlúčeniny považujú za komponenty a samotný grafický obraz sa skúma po častiach.

V triede sa tiež zostaví krivka ochladzovania podľa diagramu železo-uhlík: zvolí sa percento uhlíka a potom je potrebné určiť, ktorá fáza zodpovedá ktorej teplote na diagrame.

Na tento účel okrem samotného diagramunakreslite súradnicový systém (teplota-čas). A počnúc od maximálnych stupňov sa postupne pohybujte nadol, zobrazujúc krivku a úseky prechodu z jednej fázy do druhej. V tomto prípade je potrebné ich pomenovať a uviesť typ kryštálovej mriežky.

Ďalej sa budeme podrobnejšie zaoberať samotným grafickým obrazom diagramu stavu železo-uhlík.

Po prvé, má dve formy (časti):

• železo-cementit;
• železo-grafit.

Po druhé, zliatiny, v ktorých sú hlavnými „aktérmi“ železo a uhlík, sa bežne delia na:

• stať sa;
• liatiny.

Ak je uhlík v zliatine menší alebo rovný 2,14 % (bod E na diagrame), potom ide o oceľ, ak je viac ako 2,14 %, ide o liatinu. Z tohto dôvodu je diagram rozdelený do dvoch fáz.

Polymorfné transformácie

Viac podrobností o každej fáze nájdete nižšie v článku. Stručne povedané, k realizácii hlavných transformácií dochádza pri špeciálnych teplotách.

Stav železa sa označuje ako α-železo (pri teplotách nižších ako 911 °C). Krištáľová mriežka je objemová tvárovo centrovaná kocka. Alebo skrytá kópia. Vzdialenosť medzi atómami takejto mriežky je dosť veľká.

Železo získava gama modifikáciu, to znamená, že je označené ako γ-ferrum (911-1392 ° C). Krištáľová mriežka je tvárovo centrovaná kocka (FCC). V tejto mriežke je vzdialenosť medzi atómami menšia ako v bcc.

Pri prechode z α-ferrum na γ-ferrum objem látkysa stáva menším. Dôvodom je krištáľová mriežka - jej vzhľad. Pretože mriežka fcc má usporiadanejší atómový stav ako mriežka bcc.

Ak sa prechod uskutoční v opačnom smere - z γ-ferrum na α-ferrum, potom sa objem zliatiny zväčší.

Keď teplota dosiahne 1392 ° C (alenižšia ako teplota topenia železa 1539 ° C), potom sa α-ferrum zmení na δ-ferrum, ale toto nie je jeho nová forma, ale iba odroda. Okrem toho je δ-ferrum nestabilná štruktúra.

Vlastnosti komerčne čistého železa

Magnetické vlastnosti železa pri rôznych teplotách:

• menej ako 768 ° C - feromagnetické;
• viac ako 768 ° C - paramagnetické.

A teplotný bod 768 ° C sa nazýva bod magnetickej transformácie alebo Curieho bod.

Vlastnosti komerčne čistého železa:

• tvrdosť - 80 HB;
• dočasná odolnosť - 250 MPa;
• medza klzu - 120 MPa;
• predĺženie 50 %;
• relatívne zúženie - 80 %;
• vysoký modul pružnosti.

Karbid železa

Grafický pohľad na komponentnú časť diagramu železo-uhlík: Fe3C. Látka sa nazýva karbid železa alebo cementit. Vyznačuje sa:

1. Obsah uhlíka je 6,67 %.
2. Špecifická hmotnosť je 7,82 %.
3. Kryštálová mriežka má kosoštvorcový tvar pozostávajúci z oktaédra.
4. Topenie prebieha pri teplote ≈1260 °C.
5. Nízke feromagnetické vlastnosti pri nízkych teplotách.
6. Tvrdosť - 800 HB.
7. Plasticita je prakticky nulová.
8. Karbid železa tvorí tuhé roztokysubstitúcie, pri ktorých sú atómy uhlíka nahradené atómami nekovov (dusík) a atómy železa - kovmi (chróm, volfrám, mangán). Toto pevné zloženie sa nazýva legované.

Ako je uvedené vyššie, cementit jenestabilná fáza a grafit je stabilný. Keďže prvá látka je nestabilná zlúčenina, za určitých teplotných podmienok sa rozkladá.

Diagram železo-uhlík obsahuje nasledujúce stavy:

• kvapalná fáza;
• ferit;
• austenit;
• cementit;
• grafit;
• perlit;
• ledeburit.

Zvážme každú z nich podrobne.

Kvapalná fáza

Ferrum v tekutom stave dobre rozpúšťa uhlík. A to bez ohľadu na to, aký je ich percentuálny podiel. Výsledkom je homogénna tekutá hmota.

Ferit

Je to tuhý roztok zavedenia uhlíka doα-ferrum. Môže byť zahrnuté aj malé množstvo nečistôt. Ale ferit má takmer rovnaké vlastnosti ako čisté železo. Ak sa pozriete na štruktúru pod mikroskopom, môžete vidieť polyedrické zrná svetlého tónu.

To sa stáva:

• nízkoteplotné (pri teplote 727 ° C je rozpustnosť uhlíka 0,02%);
• vysokoteplotné (pri 1499 ° C je rozpustnosť uhlíka 0,1%), alebo sa nazýva δ-ferrum.

Vlastnosti feritu:

• tvrdosť - 80-120 HB;
• dočasná odolnosť - 300 MPa;
• predĺženie - 50%;
• má dobré magnetické vlastnosti (do teploty 768 °C).

austenit

Je to tuhý roztok zavedenia uhlíka doγ-ferrum. Môže tam byť aj malé množstvo nečistôt. V kryštálovej mriežke sa uhlík nachádza v strede bunky fcc. Pri skúmaní štruktúry austenitu pod mikroskopom je viditeľný ako svetlé zrná polyedrického tvaru s dvojčatami.

Vyznačuje sa nasledujúcimi vlastnosťami:

1. Rozpustnosť uhlíka v γ-ferme je 2,14% (pri teplote 1147 °C).
2. Tvrdosť austenitu 180 HB;
3. Predĺženie - 40-50%;
4. Dobré paramagnetické vlastnosti.

Cementit a jeho formy

Prítomné v týchto fázach: Ts1, Ts2, Ts3 (primárny, sekundárny a terciárny cementit).

Pokiaľ ide o fyzikálno-chemické ukazovatele týchto troch stavov, sú približne rovnaké. Mechanické vlastnosti sú ovplyvnené veľkosťou častíc, ich počtom a umiestnením.

Diagram tiež ukazuje, že:

• C1 vzniká z kvapalného stavu (pod mikroskopom je viditeľný ako veľké platne);
• C2 - z austenitu (umiestneného okolo jeho zŕn vo forme mriežky);
• C3 - z feritu (nachádza sa na hraniciach feritových zŕn vo forme malých častíc).

Perlit a Ledeburit

Zmes feritu a cementitu sa nazýva perlit. Vzniká pri rozklade austenitu (pri teplotách nižších ako 727 °C). Pri zväčšení je táto štruktúra vo forme dosiek alebo zŕn.

Pri postupnom znižovaní teploty je perlit prítomný vo všetkých zliatinách s obsahom uhlíka 0,02-6,67%.

Ledeburit je zmes austenitu a cementitu. Vzniká z kvapalnej fázy pri ochladení na teplotu pod 1147 °C.

Liatina

Zliatiny na diagrame železo-uhlík, žeobsahujú viac ako 2,14 % uhlíka, sa nazývajú liatiny. Sú veľmi krehké. Prierez takejto liatiny má svetlý tón, a preto sa nazýva biela liatina.

Na diagrame je to bod C, nazývaný eutektikum,so zodpovedajúcim obsahom uhlíka 4,3 %. Kryštalizáciou vzniká zmes austenitu a cementitu, spoločne nazývaná ledeburit. Fázové zloženie je konštantné.

Keď je koncentrácia uhlíka nižšia ako 4,3%(hypoeutektická liatina) pri kryštalizácii sa z roztoku uvoľňuje austenit. Ďalej z neho vyčnieva C2. A pri 727 ° C sa austenit mení na perlit. Štrukturálny stav takejto liatiny je nasledovný: veľké plochy tmavého perlitu.

V hypereutektickej bielej liatine (viac uhlíka4,3%) po ochladení dochádza k štruktúrovaniu s tvorbou kryštálov Ts1. Ďalšie transformácie sa uskutočňujú už v pevnom stave. Štruktúra je ledeburit, ktorý je podkladom pre tmavé perlitové polia. A veľké švy sú C1.

zistenie

Je nemožné dosiahnuť absolútnu rovnováhu, fyzikálnu aj chemickú, s výnimkou špeciálnych laboratórnych podmienok.

V praxi môže byť rovnováha blízkoabsolútna, ale za určitých podmienok: postačuje pomalé zvyšovanie alebo znižovanie teploty zliatiny, ktorá sa bude dlhodobo udržiavať.