Материаловедение. Урок1518 15. Практическое занятие 7 Анализ диаграммы состояния двойных сплавов

• Название: Урок1518 15. Практическое занятие 7 Анализ диаграммы состояния двойных сплавов
• Анкор: Материаловедение
• Дата: 04.02.2021
• Размер: 246.41 Kb.
• Имя файла: 15-18_19.docx
• Тип: Урок; #173912

4.02.2021

Урок15-18

15. Практическое занятие 7Анализ диаграммы состояния двойных сплавов

16. Аллотропические превращения чистого железа.

17Диаграмма состояния сплавов системы железо – углерод. Основные характеристики структурных составляющих железоуглеродистых сплавов. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали.

18. Практическое занятие 8 Решение задач по диаграмме Fe- Fe3С

Рассмотрим диаграмму состояния компонентов с ограниченной растворимостью друг в друге в твердом состоянии (рис. 12).



Рис. 12. Диаграмма состояния компонентов с ограниченной растворимостью друг в друге в твердом состоянии

Т_АиТ_в — температуры плавления компонентов Ап В соответственно. Линия Т_АСТ_В — линия ликвидус. Линия T_AECDT_B — линия солидус.

Предельная растворимость компонента В в компоненте А соответствует точке F, компонента А в компоненте В — точке G. В интервале концентраций, соответствующих точкам F и G, компоненты А и В друг в друге нерастворимы. После кристаллизации сплавы таких концентраций представляют собой двухфазную систему, состоящую из а и р — твердых растворов.

Сплав, соответствующий проекции точки С, является самым легкоплавким и называется эвтектическим. Этот сплав кристаллизуется (плавится) при постоянной температуре, при этом из расплава кристаллизуются одновременно две твердые фазы а- и p-растворы. Такой процесс называется эвтектическим превращением.

Эвтектика — это механическая смесь нескольких твердых фаз, одновременно кристаллизующихся при постоянной температуре из расплава.

Сплавы, относящиеся к области левее точки С до точки Е, называются доэвтектическими, правее точки С до точки D — заэвтектическими.



КОМПОНЕНТЫ В СИСТЕМЕ "ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД"


Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит:

ЖЕЛЕЗО

Железо – d-переходный металл серебристо-светлого цвета. Температура плавления – 1539° С. Удельный вес равен 7,86 г/см3. Наиболее существенной особенностью железа является его полиморфизм. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях - α и γ. Полиморфные превращения происходят при температурах 911° С и 1392° С. При температуре ниже 911° С и выше 1392° С существует Feα (или α-Fе) с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392° С устойчивым является Feγ (или γ-Fе) с гранецентрированной кубической решеткой. При превращении α→γ наблюдается уменьшение объема, так как решетка γ-Fе имеет более плотную упаковку атомов, чем решетка α-Fе. При охлаждении во время превращения γ→α наблюдается увеличение объема. В интервале температур 1392…1539° С высокотемпературное Feα называют Feδ. Высокотемпературная модификация Feα не представляет собой новой аллотропической формы.

При температуре ниже 768° С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точку 768° С, соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри. Модификация Feγ парамагнитна.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (временное сопротивление – σв=250 МПа, предел текучести – σт=120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ=50 %, а относительное сужение – ψ=80 %). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

УГЛЕРОД

Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500° С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000° С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

ЦЕМЕНТИТ

Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Более точные исследования показали, что цементит может иметь переменную концентрацию углерода. Однако в дальнейшем, при разборе диаграммы состояния, сделаем допущение, что Fе3С имеет постоянный состав. Кристаллическая решетка цементита ромбическая, удельный вес 7,82 г/см3 (очень близок к удельному весу железа). При высоких температурах цементит диссоциирует, поэтому температура его плавления неясна и проставляется ориентировочно – 1260° С. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 210° С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: например, азотом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Если графит является стабильной фазой, то цементит – это метастабильная фаза. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

ФАЗЫ В СИСТЕМЕ "ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД"

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

ЖИДКАЯ ФАЗА

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

ФЕРРИТ

Феррит (Ф, α)- твердый раствор внедрения углерода в α-железе (от латинского слова ferrum – железо). Различают низкотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727° С (точка P) и высокотемпературный δ-феррит (в интервале температур 1392…1539° С) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499° С (точка J).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 80 - 130 НВ, временное сопротивление – σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение - δ=50 %), магнитен до 768° С.
Под микроскопом феррит выглядит как светлые полиэдрические зерна. В сталях может существовать в виде сетки (разной толщины, в зависимости от содержания углерода), зерен (малоуглеродистые стали), пластин или игл (видманштетт).

АУСТЕНИТ В СТАЛЯХ

Аустенит (А, γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ–железо (по имени английского ученого  Р.Аустена). Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в γ -железе 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е). Аустенит имеет твердость 180 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40…50 %), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. Под микроскопом выглядит как светлые полиэдрические зерна с двойниками.

ЦЕМЕНТИТ – ФОРМЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо - цементит и железо - графит. Первая диаграмма (Fе — Fе3С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе - С) - графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура - содержание углерода. Диаграмма состояния системы железо - углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран. Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова. Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной

Диаграмма состояния — графическое изображение, показывающее фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации химических элементов в условиях равновесия.

Диаграмма железо-углерод, как ясно из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение – цементит Fe₃C. Следовательно, компонентами данной диаграммы можно считать железо и цементит.

Принципиально важным для железо-углеродистых сплавов является то, что основной компонент - железо существует в двух аллотропических

модификациях: объемноцентрированного куба (Fe - ОЦК) и гранецентрированного куба (Fe - ГЦК).

Обычно железо никогда не бывает абсолютно чистым, оно всегда содержит примеси. В настоящее время можно получить железо высокой чистоты, минуя доменную плавку, - железо прямого восстановления (примеси 0, 01%), но чаще используют техническое железо (армко железо), которое содержит  99,8-99,9% железа и 0,1-0,2%примесей. Железо имеет высокую температуру плавления – 1539^o С 5^o С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях.

Полиморфные превращения происходят при температурах 911^o С и 1392^o С.

При температуре ниже 911^o С существует Fe_с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392^o С устойчивым является Fe_ с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392^o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Fe_ или высокотемпературное Fe_. Высокотемпературная модификация Fe_ не представляет собой новой аллотропической формы.

При температуре ниже 768^o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно (немагнитно). Точка Кюри железа 768^o С обозначается А₂.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – , предел текучести – )

и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение –

, а относительное сужение – ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Цементит химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C), содержит 6,67 % углерода. Температура плавления цементита точно не установлена (1250-1550^oС). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^oС.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

В зависимости от содержания углерода железо-углеродистые сплавы делятся на два класса: стали и чугуны.

На диаграмме состояния железо–углерод (рис. 1) сплавы, относящиеся к сталям, расположены в интервале концентраций углерода до 2,14 %, т.е. левее точки Е. Чугуны имеют в своем составе от 2,14 до 6,67% углерода. При температурах ниже 727 С все отожженные углеродистые стали состоят из двух фаз  феррита и цементита.

В зависимости от содержания углерода и структуры сталей различают:

• 
  техническое железо - сплавы, содержащие до 0,02% углерода.
  
• 
  доэвтектоидные стали - сплавы, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода,
  
• 
  э
  втектоидные стали - сплавы, содержащие 0,8% углерода,
  

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. 
   Жидкая фаза представляет собой неограниченный раствор железа и углерода, распространяющийся выше линии ликвидус АСD – от 0 до 6.67 %С. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
   
2. 
   Твердые растворы. В данной системе имеются твердые растворы железа с углеродом на основе двух кристаллических модификаций железа. Они являются твердыми растворами внедрения, т.е. атомы железа занимают узлы пространственной решетки, а атомы углерода размещаются в междоузлиях.
   

Феррит– твердый раствор внедрения углерода в -железо. В феррите сохраняется кристаллическая решетка  -железа – объемно-центрированный куб. Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу QPG, имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,025 % при

температуре 727^oС (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

Свойства феррита близки к свойствам железа. Твердость феррита около 800–1000 МПа, предел прочности σ_в250 МПа; σ_т120 МПа, относительное удлинение (δ ) до 50 %, а поперечное сужение φ -до 80 %. До температуры 768° С феррит ферромагнитен, выше – парамагнитен.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в -железо. Значительно большую область на диаграмме железо-углерод занимает твердый раствор углерода в γ-железе с ГЦК-решеткой, который называется аустенитом.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода:

минимальную – 0,8 % при температуре 727^oС (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147^oС (точка Е).

Аустенит имеет твердость 1700 – 2000 МПа (200…250 НВ),σ_в 50 – 80МПа, пластичен (относительное удлинение – ). При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

3. Цементит – характеристика дана выше.

В результате фазовых превращений в твердом состоянии при малых скоростях охлаждения в стали образуются следующие структуры: перлит, феррит, вторичный цементит Ц₂ и третичный цементит Ц₃. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Ц₁ выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Ц₂ выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Ц₃ выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов

Все линии диаграммы можно разделить на следующие группы: линии ликвидус – начало затвердения при охлаждении или конец плавления при нагревании; линии солидус – конец затвердевания при охлаждении и начало плавления при нагревании; линии превращения в твердом состоянии. Из них особо выделяются горизонтальные линии (параллельные оси составов).

• 
  Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.
  
• 
  При температуре ниже 727^o С в состав ледебурита входят Ц₁ и П.
  
• 
  По линии МО при постоянной температуре 768^o С имеют место магнитные превращения.
  
• 
  По линии PSK при постоянной температуре 727^o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что А, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь Ф и Ц₂:
  
• 
  По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.
  
• 
  Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода (П=Ц₂+Ф).