Практос. Практика 4_Фазовая диаграмма Fe. Занятие 4 Компоненты и фазы

• Название: Занятие 4 Компоненты и фазы
• Анкор: Практос
• Дата: 24.03.2023
• Размер: 0.59 Mb.
• Имя файла: Практика 4_Фазовая диаграмма Fe.pptx
• Тип: Занятие; #1013115

Фазовая диаграмма «железо-углерод»

практическое занятие № 4

1. Компоненты и фазы

Железо – металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 1539 °С. Атомный радиус железа - 0,127 нм.

Имеет две полиморфные модификации:

• альфа-железо (или Feα) с ОЦК-решёткой, которая существует при Т до 911 °С и выше 1392 °С (δ-железо (Feδ)), период решётки 0,286 нм;
• гамма-железо (или Feγ) c ГЦК-решёткой, которая существует при Т от 911 °С до 1392 °С, период решётки – 0,365 нм.

Рис. 1. Кристаллические решётки Feα (а) и Feγ (б).

При превращении Feα→Feγ наблюдается уменьшение объёма, так как решётка Feγ имеет более плотную упаковку атомов, чем решётка Feα. При охлаждении во время превращения Feγ→Feα наблюдается увеличение объёма. В интервале температур 1392-1539°С высокотемпературное Feα  называют Feδ.

• Углерод (С) – неметалл, обычно существует в виде модификации графита, но может находиться и в виде метастабильной модификации алмаза.
• Графит - гексагональная кристаллическая решетка (плотность – 2,5 г/см3).
• Алмаз – кубическая решётка с координационным числом 4 (температура плавления – 5000°С).
• Атомный радиус углерода – 0,077 нм. При Т=3500 °С он, не плавясь, переходит в газовую фазу (возгоняется).

Рис. 2. Кубическая решётка алмаза.

• образование жидкого раствора;
• образование твёрдых растворов внедрения на основе Feα и Feγ;
• образование химического соединения - цементит (Fe3C).

Поэтому в системе Fe-C существуют следующие фазы:

• жидкий раствор (в жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы);
• феррит (твердый раствор внедрения);
• аустенит (твердый раствор внедрения);
• цементит (химическое соединение).

Кроме компонентов и фаз в системе сплавов “Fe-C" присутствуют другие структурные составляющие - перлит и ледебурит.

Атом углерода находится либо в центре грани куба, либо в дефектах кристаллической решётки (т.е. в вакансиях или на дислокациях).

Феррит - мягкий и пластичный:

• σВ (предел прочности) - 250 МПа;
• δ=50% (относительное удлинение δ=(lk-l0)/l0*100%, где l0 – длина образца до испытания, lk – длина образца после растяжения и разрушения);
• имеет твёрдость 80 HB (твердость по Бринеллю).

Ферритом также называют не только твёрдый раствор углерода в альфа-железе, но и любые твёрдые растворы на основе альфа-железа.

Феррит в оптическом микроскопе.

Атом углерода находится в центре элементарной ячейки.

Аустенит пластичен, но прочнее феррита, его твёрдость составляет 160-200 НВ.

Аустенитом называют не только твёрдый раствор углерода в гамма-железе, но и любые твёрдые растворы на основе гамма-железа.

Рис. 3. Кристаллические решётки феррита (а) и аустенита (б).

Цементит является метастабильной фазой, при нагреве до 1200 °С распадается на железо и углерод. Тплавления цементита приблизительно равна 1260 °С.

Твёрд и хрупок; его твёрдость составляет 800 НВ. Не способен пластически деформироваться (практически нулевая пластичность).

Рис. 4. Орторомбическая решётка цементита.

Перлит (П) - эвтектоид, механическая смесь феррита и цементита, полученная в результате распада аустенита при охлаждении сплавов ниже 727°С. При медленном охлаждении перлит присутствует во всех сплавах с концентрацией углерода от 0,02 до 6,67%. Под микроскопом перлит может выглядеть либо как пластины, либо как зерна - зернистый перлит. Его вид, также как и механические свойства, зависит от скорости охлаждения сплава и вида его термической обработки.

Ледебурит (Л) - эвтектика, механическая смесь аустенита и цементита, выделяющаяся из жидкости при охлаждении сплавов ниже 1147°С.

Принципиальное отличие эвтектикой от эвтектоидной составляющей заключается в том, что первая выделяется из жидкости, а вторая из твердого раствора, в случае железоуглеродистых сплавов - из аустенита.

2. Превращения в системе Fe-С

Диаграмма состояния «железо-углерод» - диаграмма с химическим соединением, т.к. железо с углеродом образуют химическое соединение при содержании углерода 6,69 масс.%.

Сплавы железа с углеродом, содержащие более 6,69 масс.% С, не имеют практического применения (применяют металлические сплавы на основе железа с содержанием углерода до 5 мас. %, то практически интересна часть диаграммы состояния от чистого железа до цементита).
Рис. 6. Диаграммы состояния Fe-C.

При этом в сплавах, содержащих:

• менее 4,3 масс.% углерода, из жидкости выделяются кристаллы аустенита;
• более 4,3 масс.% С – кристаллы цементита.

Эвтектика в железоуглеродистых сплавах – ледебурит (Л).

Кратко можно записать:

Л = А + Ц. (1)

При достижении температуры 1147°С (линия ECF) происходит одновременное образование из жидкости кристаллов аустенита и цементита.

- доэвтектических (с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 масс.%) – аустенит и ледебурит,

- заэвтектических (от 4,3 до 6,69 масс.% С) – ледебурит и цементит.

Предельное содержание С в аустените – 2,14 масс. % (точка E).

В сплавах (> 0,8 масс. % С) при охлаждении от 1147 до 727 °С происходит выделение С из аустенита. Активный атомарный С немедленно вступает во взаимодействие с железом, образуя цементит. В структуре сплава появляются кристаллы вторичного цементита (обозначают как ЦII).

В железоуглеродистых сплавах эвтектоид носит собственное имя – перлит. Он представляет собой смесь двух равновесных при комнатной температуре фаз: феррита и цементита:

П = Ф + ЦII. (2)

В этих сплавах, при охлаждении от 727 °С, происходит выделение избыточного углерода из феррита в соответствии с кривой предельной растворимости PQ. Углерод образует с железом цементит, который называется в данном случае третичным (ЦIII).

3. Классификация сплавов Fe-C

Все сплавы железа с углеродом делятся на две большие группы:

- стали;

- чугуны.

Граница между сталями и чугунами совпадает с предельной растворимостью углерода в аустените - 2,14 масс.% С.

Она разделяет две группы сплавов с различными структурными особенностями и, как следствие, с различной технологией изготовления изделий из них.

Любая углеродистая сталь при нагревании переходит в однофазное состояние - твёрдый раствор углерода в гамма-железе (область AESG на диаграмме).

В этом состоянии сталь достаточно пластична, её можно подвергнуть различным видам обработки давлением: прокатке, ковке и т.п.

В структуре чугунов всегда имеется ледебурит – твёрдая и хрупкая структурная составляющая. Поэтому чугуны обработке давлением не подвергаются. Зато чугуны имеют хорошие литейные свойства, так как кристаллизуются при постоянной, сравнительно низкой температуре или в небольшом интервале температур.

4. Влияние легирующих элементов на превращения в сплавах «железо-углерод»

Элементы, специально добавленные в сплавы с целью получения требуемых эксплуатационных свойств, называются легирующими элементами, а стали или чугуны с такими добавками – легированными.

Легирующие элементы, вступая во взаимодействие с исходными компонентами, могут значительно изменять вид диаграммы Fe–C. Их подразделяют на две группы:

1) элементы, расширяющие область существования аустенита;

2) элементы, расширяющие область существования феррита.

Они образуют неограниченные растворы с Feγ. В этих сплавах ГЦК-решетка становится устойчивой при комнатной температуре, сплав после охлаждения имеет структуру аустенита. Такие стали называются аустенитными.

Легирующий элемент неограниченно растворяется в Feα, начиная с некоторой концентрации b, причем этот твёрдый раствор устойчив при всех температурах, вплоть до солидуса.

Сплав после охлаждения имеет структуру феррита. Такие стали называются ферритными.

5. Расшифровка диаграммы Fe-C

Выполним анализ превращения в системе Fe-C при охлаждении и постоянной концентрации 0,6 масс.% С (линия I-I на рис. 7).

Рис. 7. Левая часть диаграммы Fe-C (а) и кривая охлаждения сплава I-I (б).

1. Начальное состояние – жидкая фаза.

2. Количество фазовых превращений – 4.

3. Точка 1 - линия ликвидус, при достижении этой температуры начинается кристаллизация раствора Fe и С.

4. Точка 1 → точка 2 - из жидкости выделяются кристаллы аустенита.

5. Точка 2 - линия солидус, произошла полная кристаллизация аустенита. Образовавшиеся кристаллы имеют 0,6 масс. % С в своём составе.

6. Точка 2 → точка 3 - охлаждение аустенитной стали. Без фазовых превращений.

7. Точка 3 – начинается рост зёрен феррита в аустенитной стали в тех областях, где углерода оказалось меньше.

8. Точка 3 → точка 4 - охлаждение стали с повышением содержания углерода в аустените.

9. Точка 4 – содержание углерода в аустените достигает 0,8 масс.% и происходит его переход в перлит: П = (Ф + ЦII).

10. Точка 4 → фазовых превращений не происходит.

11. Конечное состояние - при комнатной температуре сталь состоит из феррита и перлита = феррита и цементита (II).