Основные сведения о сплавах металлов (основы общей технологии металлов)
Описание технологических процессов литья
Литье в одноразовые формы
Литье в полупостоянные формы
Литье в металлические формы
Полунепрерывное литье
Специальное литье
Литье неметаллических материалов
Дефекты отливок
Термообработка металлов и сплавав
Правила безопасности в литейном производстве
Общие правила безопасности для металлургических предприятий
Современные технологии металлургии
Организация производства в промышленности.
Представление об устройствах и принципах действия автоматических систем.
Общие сведения из технической механики
Чтение чертежей
Общие сведения из электротехники
Фото галерея литейщика
Общие правила устройства электроустановок
Канализация электроэнергии
Безопасность несущих конструкций
Электробезопасность производства
Трубопроводы
ПОТ при эксплуатации электроустановок
Межотраслевые правила по охране труда в литейном производстве
Правила по охране труда при выполнении кузнечно-прессовых работ
Правила по охране труда при холодной обработке металлов
Карта сайта
Популярная металлургия
 
 

 

Диаграмма состояния системы железо - углерод

При изучении структуры чугуна и стали строят диаграммы состояния - графические изображения, дающие наглядное представление о кристаллизации и превращениях, совершающихся при их нагреве и охлаждении.

Процесс кристаллизации зависит от того, какие фазы образуются из жидкого раствора сплава.

Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей поверхностью раздела. Фазы делятся на твердые, жидкие и газообразные. Фазами могут быть чистые элементы, химические соединения, твердые и жидкие растворы и пары. Природа образующихся фаз определяет вид диаграммы состояния. Процесс кристаллизации подчиняется правилу фаз, которое показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур и какое количество фаз может одновременно существовать.

Элементы, входящие в сплав, называются компонентами. В зависимости от количества составляющих сплавы могут быть двух-, трех-, четырех- и более компонентными. Кроме основных компонентов, технические сплавы могут содержать в небольших количествах и другие элементы, называемые примесями. Постоянными примесями являются сера и фосфор.

Компоненты в жидком состоянии обладают неограниченной растворимостью. В твердом сплаве они образуют механическую смесь кристалликов исходных материалов или находятся в химическом соединении друг с другом или в виде так называемого твердого раствора.

Системой называют группу веществ, выделенную из прочих окружающих веществ для исследования в известных условиях температуры, давления и других факторов. Например, сплав определенного состава, в котором хотят проследить превращения, происходящие при нагреве или охлаждении, представляет собой систему.

Диаграмма состояний строится по критическим точкам, определяемым различными методами. Одним из важнейших методов является термический.

Диаграмма состояния системы железо - углерод имеет большое практическое значение и является основой для изучения процессов термической обработки чугуна и стали. По ней определяют виды термической обработки, температурные интервалы превращений и т. д.

Кроме того, диаграмма может быть использована для предсказания микроструктуры при   любой заданной температуре.

 Диаграмма состояния железо - углерод

Диаграмму создавали в течение многих лет ученые различных стран. Особенно большой вклад в построение диаграммы внес русский металлург Д. К. Чернов, которому принадлежит приоритет открытия превращений в сталях и критических точек.

По горизонтальной оси диаграммы откладывается содержание углерода в сплаве в процентах, по вертикальной - температура в °С. Каждая точка на диаграмме характеризует определенный состав сплава при определенной температуре. Превращения в сплавах железо - углерод происходят не толь­ко при затвердевании сплава в жидком состоянии, но и в твердом благодаря переходу железа из одной аллотропической формы в другую.

В зависимости от температуры и содержания углерода сплавы железо - углерод могут иметь структурные составляющие: феррит, цементит, перлит, аустенит, ледебурит и графит. Физико-химическая природа этих структурных составляющих различна.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. При 723° С в α-железе может содержаться до 0,02% углерода, а при 20° С всего лишь 0,006% углерода. Феррит обладает высокой пластичностью, низкой твердостью (НВ 80-100), прочностью (σь = 25 кгс/мм2) и магнитными свойствами, которые сохраняются до температуры 768° С.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, т. е. карбид железа Fe3C. Цементит содержит 6,63% углерода и до 210°С сохраняет магнитные свойства. Цементит очень хрупкий и обладает твердостью НВ 760-800. В структуре стали и чугуна он находится в виде игл, отдельных включений и сетки, по границам зерен.

Перлитом называют механическую смесь феррита с цементитом. Перлит- это продукт распада аустенита при медленном охлаждении. Он может быть пластинчатым или зернистым. В нем содержится 0,8% углерода. Механические свойства перлита зависят от степени измельчения частичек цементита.

Ледебурит представляет собой эвтектику, состоящую из цементита и аустенита и образующуюся при кристаллизации жидкого сплава, который содержит 4,3% углерода. Ледебурит обладает высокой твердостью (НВ до 700) и хрупкостью.

Чистое железо плавится и затвердевает при 1539°С (точка А), а чугун, содержащий 4,3% углерода, - при 1130°С (точка С).

Графит - это кристаллическая разновидность углерода. Он имеет черный цвет и встречается в структуре чугуна и графитизированной стали.

Когда температура сплава соответствует линии АС, начинается процесс кристаллизации: из жидкого сплава выделяются кристаллы аустенита, а на линии CD - цементит. Так как цементит выделяется из жидкого сплава в процессе первичной кристаллизации, то его называют первичным. Линия АЕСF является линией солидуса. В точке С сплав, содержащий 4,3% углерода, переходит в твердое кристаллическое состояние. Сплав такого состава называют эвтектическими. Структура эвтектического сплава представляет собой ледебурит. Таким образом, чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим, менее 4,3% углерода - дозвтектическим и более 4,3% углерода - заэвтектическим.

В зоне III диаграммы сплав состоит из цементита и жидкого сплава, а в зоне II - из кристаллов аустенита и жидкого сплава. Содержание углерода в кристаллах аустенита определяется линией AIE

При температурах, соответствующих линии АВ, из жидкого сплава выделяется твердый раствор δ. На горизонтали HIB при 1486°С происходит перитектическое превращение. Оставшийся жидкий сплав взаимодействует с твердым раствором δ и в точке / переходит в аустенит, левее точки / - в структуру аустенит - твердый раствор δ, правее точки / - в аустенит и жидкий сплав. Затвердевание сплавов, содержащих до 2% углерода, заканчивается на линии AHIE. Ниже линии HIE, в зоне IV, сплавы представляют собой аустенит.

В нижней части диаграммы превращения происходят в твердом состоянии. Линия GS (линия А3) представляет собой температуры начала выделения феррита из аустенита. Она показывает, что температура образования феррита понижается с 910°С (точка G) для чистого железа до 723° С (точка S) для сплава, содержащего 0,8% углерода. Феррит, который выделяется из аустенита при охлаждении, содержит не более 0,02% углерода. При понижении температуры до 723°С (линия PS) в зоне VIII сплав состоит из феррита и аустенита. В точке S аустенит переходит в перлит. В результате превращений сплавы, содержащие менее 0,8% углерода, имеют структуру феррита и перлита (зона IX). При 0,8% углерода в структуре остается только перлит, называемый эвтектоидом. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной, менее 0,8 углерода - доэвтектоидной, более 0,8 % углерода - заэвтектоидной.

В зоне V находятся в равновесии две структурные составляющие - цементит и аустенит. Линия SE определяет предел растворимости углерода в аустените. При 1130°С (точка Е) в аустените растворяется 2% углерода. В зоне X структура сплава состоит из перлита и вторичного цементита.

В зоне VI сплав состоит из ледебурита, аустенита и вторичного цементита, в зоне VII - из первичного цементита и ледебурита, в зоне XI - из перлита, вторичного цементита и ледебурита и, наконец, в зоне XII - из ледебурита и первичного цементита.

Описанные изменения структуры сплавов при охлаждении обратимы.

Температуры, при которых начинается или заканчивается процесс фазовых превращений в металле или сплаве, называют критическими точками. Рассмотрим «стальной» участок диаграммы состояния железо - углерод:

 Стальной участок диаграммы железо - углерод

Возьмем для примера три сплава: доэвтектоидный (/), эвтектоидный (//) и заэвтек-тоидный (///). При медленном нагреве от комнатной температуры до 723°С (точка а) в сплаве / фазовых изменений не происходит. При температуре 723°С перлит превращается в аустенит. Такую температуру называют нижней критической точкой и обозначают AC1 . Буква С указывает на то, что температура остановки получается при нагреве стали, а единица подтверждает образование критической точки на линии PSK. Охлаждение стали отмечают буквой rr1 ). При дальнейшем нагреве в сплаве / зерна феррита растворяются в аустените. Растворение заканчивается в точке а1, лежащей на линии GS. Температуру окончания растворения феррита в аустените называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве сплава-АС3, при охлаждении - АГ3.

Если нагревать эвтектоидный сплав II,. то перлит в точке S (линия PSK) при 723°С превращается в аустенит. Критические точки AC1 и Ас3при этом совместятся.

При нагреве сплава III в точке b при 723°С перлит превращается в аустенит (точка AC1). Дальнейший нагрев вызывает растворение цементита в аустените и в точке b1 лежащей на линии SE, процесс заканчивается. Эту точку называют критической и обозначают Аст.

Таким образом, на диаграмме железо - углерод критические точки, образующие линию PSK, обозначаются Ас (при нагреве) и Аr1 (при охлаждении), линия GSK - АСз, линия SE - Аст и Аrт. Знание критических точек значительно облегчает термисту дальнейшее изучение процессов термической обработки сталей.

Рассматривая диаграмму состояний железо - цементит в связи с происходящими превращениями в сплаве, можно видеть, как на ней распределены фазы и в каком структурном сочетании.

Схема распределения фаз и структур сплава по диаграмме железо - углеродСхема распределения фаз и структур сплава по диаграмме железо - углерод

 
 
 
 

 
  Подарки сувениры  
   
 
 
Реклама