Järn-kol diagram. Systemdiagram för järn-kolsystem

Det är svårt att föreställa sig modern konstruktionteknik, maskinteknik och andra viktiga industrier utan användning av de viktigaste metalllegeringarna av stål och gjutjärn. Deras produktion överstiger alla andra dussintals gånger.

Med tanke på stål och gjutjärn ur synvinkelen sådan vetenskap som metallurgi, den centrala figuren är diagrammet över tillståndet för järn-kollegeringar, vilket gör att du kan få detaljerade idéer om sammansättningen och strukturella omvandlingar i dessa material. Och bekanta dig också med deras faskomposition.

Upptäcktshistoria

För första gången någonsin i legeringar (stål och gjutjärn)det finns vissa (speciella) punkter, påpekade den stora metallologen och uppfinnaren - Dmitry Konstantinovich Chernov (1868). Det var han som gjorde en viktig upptäckt om polymorfa omvandlingar och är en av skaparna av fasdiagrammet för järn-kol. Enligt Chernov har placeringen av dessa punkter i diagrammet ett direkt samband med andelen kol.

Och vad som är mest intressant, det är från den tidpunkt då denna upptäckt börjar att en sådan vetenskap som metallografi börjar sitt liv.

Diagrammet över järn-kollegeringar är resultatet av ett noggrant arbete av forskare från flera länder i världen. Alla bokstäver för viktiga punkter och faser i diagrammet är internationella.

Diagram koncept

Grafisk representation av de processer som äger rum ilegering med en förändring i temperatur, koncentration av ämnen, tryck, kallas ett tillståndsdiagram. Det låter dig visuellt och visuellt se alla transformationer som sker i legeringar.

Element av järn-kol diagram

Kort information om vart och ett av dessa element.

Järn är en silvergrå metall. Specifik vikt - 7, 86 g / cm3. Den har en smältpunkt på 1539 ° C.

När järn och andra metaller interagerar bildas föreningar, så kallade substitutionslösningar. Om med icke-metaller, till exempel med kol eller väte, då med interstitiella lösningar.

Järn har förmågan att vara ursprungligenfast, för att vara i flera tillstånd, som inom metallvetenskap vanligtvis kallas "alfa" och "gamma". Denna kvalitet kallas polymorfism. Mer om detta senare i artikeln.

Kol är en icke-metall. Om den fungerar som grafit är smältpunkten 3500 ° C. Om som diamant - 5000 ° C. Kolens densitet är 2,5 g / cm³... Det har också polymorfa egenskaper.

I järn-kollegeringar bildar detta element en fast lösning som innehåller en ferrum som kallas cementit (Fe₃C). Bildar också grafit i gjutjärn.

Järn-kollegeringsdiagram

Som ett resultat av interaktionen mellan komponenterna i diagrammet med varandra erhålls cementit - en kemisk förening.

När man studerar diagrammet av studenter inom metallvetenskap betraktas som regel alla stabila föreningar som komponenter och själva den grafiska bilden undersöks i delar.

I klassrummet byggs också en kylkurva enligt järn-kol-diagrammet: procentandelen kol väljs och sedan är det nödvändigt att bestämma vilken fas som motsvarar vilken temperatur i diagrammet.

För detta, förutom själva diagrammet,rita ett koordinatsystem (temperatur-tid). Och med utgångspunkt från maximala grader, rör dig gradvis nedåt och visar en kurva och sektioner av övergång från en fas till en annan. I det här fallet är det nödvändigt att namnge dem och ange typen av kristallgitter.

Därefter kommer vi att överväga den mycket grafiska bilden av järn-kol tillståndsdiagrammet mer detaljerat.

För det första har den två former (delar):

• järncementit;
• järn-grafit.

För det andra är legeringar, där de viktigaste "aktörerna" är järn och kol, konventionellt uppdelade i:

• bli;
• gjutjärn.

Om kolet i legeringen är mindre än eller lika med 2,14% (punkt E i diagrammet) är detta stål, om det är mer än 2,14% är det gjutjärn. Av denna anledning är diagrammet uppdelat i två faser.

Polymorfa omvandlingar

Mer information om varje fas finns nedan i artikeln. Kort sagt, genomförandet av huvudtransformationerna sker vid speciella temperaturer.

Järntillståndet betecknas som α-ferrum (vid temperaturer under 911 ° C). Kristallgitteret är en volymetrisk ansiktscentrerad kub. Eller bcc. Avståndet mellan ett sådant gitters atomer är ganska högt.

Järn förvärvar gammamodifiering, det vill säga det betecknas som γ-ferrum (911-1392 ° C). Kristallgitteret är en ansiktscentrerad kub (FCC). I detta galler är avståndet mellan atomer lägre än i bcc.

Vid övergången från α-ferrum till γ-ferrum, ämnets volymblir mindre. Anledningen till detta är kristallgitteret - dess utseende. Eftersom fcc-galler har ett mer ordnat atomärt tillstånd än bcc-galler.

Om övergången utförs i motsatt riktning - från γ-ferrum till α-ferrum, ökar volymen av legeringen.

När temperaturen når 1392 ° C (menmindre än smältpunkten för järn 1539 ° C), då förvandlas α-ferrum till δ-ferrum, men detta är inte dess nya form utan bara en variation. Dessutom är δ-ferrum en instabil struktur.

Egenskaperna hos kommersiellt rent järn

Järnmagnetiska egenskaper vid olika temperaturer:

• mindre än 768 ° C - ferromagnetisk;
• över 768 ° C - paramagnetisk.

Och temperaturpunkten på 768 ° C kallas punkten för magnetisk transformation, eller Curie-punkten.

Tekniska rena järnegenskaper:

• hårdhet - 80 HB;
• tillfälligt motstånd - 250 MPa;
• utbytespunkt - 120 MPa;
• förlängning 50%;
• relativ minskning - 80%;
• hög elasticitetsmodul.

Järnkarbid

Grafisk bild av komponentdelen i järn-kol-diagrammet: Fe3C. Ämnet kallas järnkarbid eller cementit. Det kännetecknas av:

1. Kolhalten är 6,67%.
2. Den specifika vikten är 7,82%.
3. Kristallgitteret har en rombform, bestående av oktaeder.
4. Smältning sker vid en temperatur av ~ 1260 ° C.
5. Låga ferromagnetiska egenskaper vid låga temperaturer.
6. Hårdhet - 800 HB.
7. Plasticitet är praktiskt taget noll.
8. Järnkarbid bildar fasta lösningarsubstitutioner, där kolatomer ersätts av icke-metallatomer (kväve) och järnatomer - av metaller (krom, volfram, mangan). Denna fasta komposition kallas legerad.

Som nämnts ovan är cementitinstabil fas och grafit är stabil. Eftersom det första ämnet är en instabil förening, sönderdelas den under vissa temperaturförhållanden.

Järn-kol-diagrammet innehåller följande tillstånd:

• flytande fas;
• ferrit;
• austenit;
• cementit;
• grafit;
• perlit;
• ledburit.

Låt oss överväga var och en av dem i detalj.

Flytande fas

Ferrum i flytande tillstånd löser upp kolbrunnen. Detta är oavsett vilken andel de är i procent. Resultatet är en homogen flytande massa.

Ferrit

Det är en solid lösning av införandet av kol ia-järn. En liten mängd föroreningar kan också inkluderas. Men ferrit har nästan samma egenskaper som rent järn. Om du tittar på strukturen under ett mikroskop kan du se de polyhedrala kornen i en ljus ton.

Det händer:

• låg temperatur (vid en temperatur av 727 ° C är kolens löslighet 0,02%);
• hög temperatur (vid 1499 ° C är kolens löslighet 0,1%), eller kallas det δ-ferrum.

Ferritegenskaper:

• hårdhet - 80-120 HB;
• tillfälligt motstånd - 300 MPa;
• förlängning - 50%;
• har goda magnetiska egenskaper (upp till en temperatur på 768 ° C).

Austenite

Det är en solid lösning av införandet av kol iy-järn. Det kan också finnas en liten mängd föroreningar. I kristallgitteret ligger kol i mitten av fcc-cellen. När man undersöker strukturen av austenit under ett mikroskop, är det synligt som lätta korn av polyhedral form med tvillingar.

Har följande egenskaper:

1. Lösligheten för kol i y-järn är 2,14% (vid en temperatur av 1147 ° C).
2. Austenit hårdhet 180 HB;
3. Förlängning - 40-50%;
4. Bra paramagnetiska egenskaper.

Cementit och dess former

Finns i sådana faser: Ts1, Ts2, Ts3 (primär, sekundär och tertiär cementit).

När det gäller de fysikalisk-kemiska indikatorerna för dessa tre tillstånd är de ungefär lika. De mekaniska egenskaperna påverkas av partiklarnas storlek, deras antal och placering.

Diagrammet visar också att:

• Cl bildas från ett flytande tillstånd (under ett mikroskop är det synligt som stora plattor);
• C2 - från austenit (belägen runt kornen i form av ett rutnät);
• C3 - från ferrit (belägen vid gränserna för ferritkorn i form av små partiklar).

Perlit och Ledeburite

En blandning av ferrit och cementit kallas pearlite. Den bildas under nedbrytningen av austenit (vid temperaturer under 727 ° C). När den förstoras har denna struktur formen av plattor eller korn.

Med en gradvis sänkning av temperaturen finns perlit i alla legeringar med en kolhalt på 0,02-6,67%.

Ledeburite är en blandning av austenit och cementit. Den bildas från vätskefasen när den kyls till temperaturer under 1147 ° C.

Gjutjärn

Legeringar på järn-kol diagram sominnehåller mer än 2,14% kol, kallas gjutjärn. De är mycket ömtåliga. Tvärsnittet av sådant gjutjärn har en ljus ton och kallas därför vitt gjutjärn.

På diagrammet är detta punkt C, kallad eutektik,med en motsvarande kolhalt på 4,3%. Kristallisation bildar en blandning av austenit och cementit, kollektivt kallad ledburit. Faskompositionen är konstant.

När kolkoncentrationen är mindre än 4,3%(hypoeutektiskt gjutjärn) under kristallisation frigörs austenit från lösningen. Vidare sticker Ts2 ut från det. Och vid 727 ° C blir austenit till pearlite. Det strukturella tillståndet för sådant gjutjärn är som följer: stora områden av mörkfärgad pearlite.

I hypereutektiskt vitt gjutjärn (kol mer4,3%) vid kylning sker strukturering med kristallbildning av Ts1. Ytterligare transformationer utförs redan i fast tillstånd. Strukturen är ledburit, vilket är bakgrunden för perlitfält i mörk ton. Och stora sömmar är C1.

rön

Det är omöjligt att uppnå absolut balans, både fysiskt och kemiskt, utom i speciella laboratorieförhållanden.

I praktiken kan jämvikten vara näraabsolut men under vissa förhållanden: en långsam ökning eller minskning av legeringens temperatur är tillräcklig, vilket kommer att bibehållas under lång tid.