Железоуглеродистых сплавов
Железо занимает 26 место в периодической таблице элементов, это серебристо-белый металл. Температура плавления 15390С, плотность 7,68г/см3. Железо – полиморфный металл, существует в разных кристаллических формах. При температурах ниже 9110С железо имеет кристаллическую решетку ОЦК. Эту форму обозначают a. В диапазоне температур 911...1401 0С железо имеет кристаллическую решетку ГЦК. Эту кристаллическую форму обозначают γ, и в диапазоне от 1401 0С и до плавления железо снова имеет решетку ОЦК. Эту форму называют высокотемпературной модификацией и обозначают δ.
С углеродом железо взаимодействует, образуя твердые растворы внедрения, при этом a-Fe растворяет углерода очень мало, а именно – при комнатной температуре растворимость углерода в a-Fe составляет до 0,0025%, а при 7270С – 0,025%. Твердый раствор углерода в a-Fe называется ферритом. По своим свойствам феррит напоминает чистое железо – это мягкая и пластичная фаза. Феррит имеет следующие механические свойства: sв=250 МПа, sт =120 МПа, d=50%, y=80%, НВ 90.
В γ-Fе растворяется значительно больше углерода: максимальная растворимость наблюдается при 1147 0С и составляет 2,14% С. Твердый раствор внедрения углерода в g-Fe называется аустенитом. Аустенит – мягкая и пластичная фаза.
В d -Fe растворяется до 0,1 % С при температуре 1499 0С. Эта фаза напоминает феррит и называется d-твердым раствором.
В железоуглеродистых сплавах углерод может находиться в двух формах – в форме графита, т.е. в свободном состоянии, и в виде химического соединения с железом – карбиде.
Графит имеет гексагональную кристаллическую решетку с относительно большим расстоянием между плоскостями, поэтому чешуйки графита легко скалываются, твердость графита около 3 НВ, он обладает практически нулевой прочностью.
Карбид железа – Fe3C называется цементитом. В цементите содержится 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку и температуру плавления около 16000С. До 2100С цементит ферромагнитен, обладает высокой твердостью (HV 1000), но малой пластичностью, разрушается хрупко. Цементит – фаза метастабильная и при высоких температурах может разлагаться с образованием графита – стабильной фазы.
6.2 Диаграмма состояния «железо – цементит»
Эта диаграмма (рис.27)описывает метастабильное равновесие.
Координаты точек приведены в табл. 4.
Рисунок 27 – Диаграмма состояния «железо – цементит»
Таблица 4 – Координаты точек
Обозначе-ние точек | А | В | С | Д | N | J | Н | E | F | G1 | Р | S | К | Q |
t°C | 7Z7 | |||||||||||||
%С | 0,5 | 4,3 | 6,67 | - | 0,16 | 0,1 | 2,14 | 6,67 | - | 0,025 | 0,8 | 6,07 | 0,0025 |
Пояснения к диаграмме состояния «железо-цементит»
Фазы системы:
Ж – жидкость, расплав железа с углеродом;
А – аустенит – твердый раствор углерода в γ-Fe;
Ф – феррит – твердый раствор углерода в а-Fe;
Ц – цементит – химическое соединение Fе3С;
Фδ – твердый раствор углерода в δ-Fe;
П – перлит-эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита;
Л – ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита (выше линии PSK) и перлита с цементитом (ниже линии PSK).
Превращения, совершающиеся в сплавах при постоянных температурах:
1 На линии НIB при температуре 14990С.
Это превращение испытывают сплавы, содержащие от 0,1 до 0,5% С.
Сплав, содержащий 0,16% С (I), начинает кристаллизоваться с образованиемкристаллов δ-твердого раствора, и при температуре 1499°С будет иметь место превращение
δн + жв → АI
0,1%С 0,5%С 0,16%С
Число степеней свободы С=К–Ф+1=2–3+1=0. Температура постоянная. Такое превращение называется перитектическим – когда из двух фаз при постоянной температуре образуется одна новая фаза, в данном случае – аустенит.
2 На линии ECF, температура 1147 0С.
Это превращение испытывают все сплавы, содержащие от 2,14 % С (точка Е) до 6,67 % С (точка F).
Рассмотрим сплав, содержащий 4,3 % С (точка С). Выше 11470С сплав находится в жидком состоянии. При температуре чуть ниже 11470С происходит превращение
Жс → Ае + ЦF
4,3% С 2,14% С 6,67% С
Число степеней свободы С=К–Ф+1=2–3+1=0. Температура постоянная. Такое превращение называется эвтектическим. В данном случае эвтектика представляет собой механическую смесь аустенита и цементита.
Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом. Применяя правило отрезков, можно показать, что ледебурит, как структура, наполовину состоит из хрупкого цементита, поэтому ледебурит тверд (до 500 НВ), хрупок, и сплавы с такой структурой невозможно обрабатывать давлением. Такие сплавы называются чугунами. К чугунам относятся все сплавы в диапазоне концентрации углерода от 2,14% (точка Е) до 6,67% (точка F), в структуре содержат эвтектику-ледебурит. По структуре чугуны делят на эвтектические (4,3% С), доэвтектические (2,14...4,3% С) и заэвтектические (4,3...6,67% С). Соответственно, сплавы, содержащие менее 2,14% С (сплавы левее точки Е), закристаллизовываются с образованием аустенита – мягкой пластичной фазы. Такие сплавы хорошо обрабатываются давлением и называются сталями. Следовательно, точка Е (2,14%С), характеризующая предельное содержание углерода в аустените, делит железоуглеродистые сплавы на две группы:
стали – содержат менее 2,14% С
и чугуны – содержат более 2,14% С.
3 На линии PSK, температура 727 0С. Это превращение испытывают и стали и чугуны (от точки Р до точки К, т.е. от 0,025% С до 6,67% С).
Рассмотрим сталь, содержащую 0,8% С. Выше температуры 7270С (например, 8000С) сталь состоит из аустенита, и при охлаждении аустенит сохранится до 7270С. Ниже этой температуры должно пройти превращение
Аs → Фp + Цк
0,8%C 0,025%C 6,67%C
Число степеней свободы С=К–Ф+1=2–3+1=0, т.е. температура постоянная, из одной фазы образуются две новые. Но т.к. все фазы находятся в твердом состоянии, такое превращение называют эвтектоидным.
Эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита называется перлитом.
Сталь, содержащая 0,8% С, называется эвтектоидной, сталь, содержащая менее 0,8%С – доэвтектоидной,и сталь, содержащая более 0,8%С – заэвтектоидной. Они отличаются по структуре. Структура доэвтектоидной стали состоит из избыточного феррита, который располагается по границам зерен перлита с пластинчатым строением зерен. Структура заэвтектоидных сталей состоит из избыточного цементита, который в виде сетки располагается по границам зерен пластинчатого перлита.
Дата добавления: 2016-01-09; просмотров: 2197;