ЖЕЛЕЗО - УГЛЕРОД

Сплавы на основе железа - стали и чугуны содержат примеси кремния, марганца, фосфора и серы: влияющие на свойства сплавов. Однако в наибольшей степени свойства стали и чугуна зависят от со­держания углерода. Углерод является неметаллическим элементом, име­ющим атомный номер 6, атомную массу 12,011, атомный радиус 0,77А, плотность 2,5 г/см3. Может находиться в модификации графита и ме­тастабильной (с ограниченной устойчивостью) модификации алмаза. По содержанию углерода железоуглеродистые сплавы разделяются на стали и чугуны.

Начало изучению железоуглеродистых сплавов с помощью диаграммы состояния положил великий русский ученый Д.К.Чернов, установивший зависимость положения критических точек стали от содержания углеро­да и давший прообраз современной диаграммы.

Диаграмма состояния системы сплавов железо-цементит. Диаграмма состояния сплавов системы Fe-С строится от 0 до 6,67% С, т.е. от 0 до 100% Fe₃С. Сплавы с большим содержанием углерода из-за их хруп­кости не применяются. Следовательно, компонентами сплавов данной системы можно считать железо и химическое соединение Fe₃C, карбид железа, структуру которого называют цементитом .

Превращения при первичной кристаллизации. Линии ACD - ликвидус и АЕСF - солидус указывают на начало и конец кристаллизации всех сплавов системы. При охлаждении сплавов на линии АС из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы твердого раствора внедрения углерода в g-железо, структуру которого называют аустенитом А (по имени английского ученого Аустена). В области диаграммы АСЕ нахо­дится смесь двух фаз - жидкого раствора и аустенита. Затвердевшие сплавы ниже линии АЕ имеют аустенитную структуру. Точка Е указывает на максимально возможное (предельное) растворение углерода в железе (2,14%). Сплавы, лежащие левее точки Е, называют сталями.

По линии CD из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы цементита Ц, называемого первичным. В области СDF диаграммы нахо­дится смесь двух фаз: жидкого раствора и цементита.

В точке С диаграммы, соответствующей содержанию 4,3% С, где линии АС и СD пересекаются, происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита с образованием их мелкой смеси - эвтектики. Структуру эвтектики в системе сплавов Fe-Fe₃С называют ледебуритом (по имени немецкого ученого Ледебура). Ледебурит присутствует во всех затвердевших сплавах, содержащих от 2,14 до 6,67% С, называе­мых чугунами.

Чугуны, содержащие менее 4,3% С, называют доэвтектическими, 4,3% - эвтектическими, а более 4,3% - заэвтектическими. При охлаж­дении доэвтектических и заэвтектических чугунов любого состава в результате кристаллизации аустенита и цементита содержание углерода в жидкой фазе будет изменяться соответственно по линиям АС и DС и при температуре 1147⁰С (линия ЕСF) достигнет эвтектического состава (4,3%). На линии ЕСF жидкие растворы эвтектического состава крис­таллизуются с образованием ледебурита. В связи с этим линию темпе­ратур ЕСF называют линией ледебуритного превращения.

Линии GSE, PSK, QPG диаграммы указывают на то, что в твердом состоянии в результате вторичной кристаллизации в сплавах данной системы происходят изменения структуры (фазовые превращения). Эти изменения происходят в результате аллотропических превращений желе­за и изменения растворимости углерода в железе при нагревании и ох­лаждении. Изменение растворимости в свою очередь объясняется соот­ветственно увеличением и уменьшением периодов решеток при нагрева­нии и охлаждении сплавов, а также изменением типа решетки (аллотро­пией).

Превращения в стали при вторичной кристаллизации. В области AGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит становится неустойчивым и распадается с выделением на линии GS и ниже феррита Ф, а на линии SE и ниже - цементита ЦII. Цементит, образующийся из твердого раствора при вторичной кристаллизации, называется вторич­ным. В результате этих превращений в области GSP диаграммы находит­ся смесь двух фаз - аустенита и феррита, а в области ниже SE - смесь аустенита и вторичного цементита.

В точке S, в которой линии GS и SE пересекаются, происходит распад аустенита и образование мелкой смеси феррита и цементита, которую по аналогии с эвтектикой называют эвтектоидом. Структура эвтектоида называется перлитом П. Перлитная структура образуется в сталях, содержащих 0,8% С. Стали, содержащие менее 0,8% С, называют доэвтектоидными, а более 0,8% С - заэвтектоидными.

При охлаждении доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей концент­рация углерода в аустените изменяется соответственно по линиям GS и ES и при температуре PSK (727оС) достигает эвтектоидного состава - 0,8%. При температуре 727оС происходит окончательный распад аусте­нита и превращение его в перлит. Линию температур PSK поэтому назы­вают линией аустенитно-перлитного превращения.При охлаждении низко­углеродистого аустенита в результате α β δ превращения образуется однофазная ферритная структура, область расположения которой огра­ничена линией QPG.

Охлажденные ниже температуры 727⁰С, например до плюс 20⁰С, сплавы имеют следующие структуры в зависимости от содержания угле­рода: до 0,006% С - ферритную ; от 0,006 до 0,8% С - фер­ритно-перлитную (рис. 24); при 0,8% С - перлитную ; от 0,8 до 2,14% С - перлитно-цементитную.

Превращения в чугуне при вторичной кристаллизации. Чугун эв­тектического состава после затвердевания имеет ледебуритную Л структуру, представляющую смесь аустенита и цементита. При дальней­шем охлаждении на линии SK, как и в точке S, происхо­дит А в П превращение, поэтому ледебурит ниже температуры 727⁰С яв­ляется смесью перлита и цементита.

Чугуны доэвтектического состава после затвердевания имеют структуру, состоящую из кристаллов аустенита с предельным содержа­нием углерода (2,14%) и ледебурита. При их охлаждении в интервале температур между линиями ES и SK происходит уменьшение растворимос­ти углерода в g-железе по линии ES. Вследствие этого из охлаждающегося аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита (вто­ричного). Доэвтектические чугуны между линиями превращений ЕС и SK имеют структуру, состоящую из смеси кристаллов аустенита переменно­го состава, вторичного цементита и ледебурита. При температуре 727⁰С происходит А в П превращение, поэтому при температуре ниже 727⁰С эти чугуны имеют структуру, состоящую из смеси кристаллов перлита, цементита и ледебурита . Чугуны заэвтектического состава имеют структуру, состоящую из кристаллов ледебурита и пер­вичного цементита.

Однофазны­ми структурными составляющими являются феррит, аустенит и цементит.

Феррит Fe_α (С) - твердый раствор внедрения углерода в α-желе­зе. При температуре 727⁰С a-железо растворяет 0,025% С, а при 20⁰С до 0,006% С, имеет зернистое строение.

Аустенит Fe_β (С) - твердый раствор внедрения углерода в β-же­лезо. При температуре 1147⁰С β-железо растворяет 2,14% C, а при 727⁰С - 0,8% С. Микроструктура аустенита имеет также зернистое строение. Аустенит устойчив при высоких температурах. Медленно ох­лаждаясь, распадается, образуя эвтектоидную смесь феррита с цемен­титом - перлит. При обычных условиях температур аустенитную струк­туру получают легированием и закалкой. Аустенит обладает высокой вязкостью, имеет низкий предел текучести при сравнительно высоком значении временного сопротивления, парамагнитен.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом - карбид железа Fe₃C, содержит 6,67% С, имеет сложную кристаллическую решет­ку. Цементит - самая твердая и хрупкая структурная составляющая же­лезоуглеродистых сплавов. Твердость в переводе на единицы Бринелля НВ ~ 8000 МПа.

Двухфазными структурными составляющими являются перлит и леде­бурит.

Перлит - эвтектоидная смесь, которая образуется при распаде медленно охлаждающегося аустенита. Состоит из пластинок или зерен цементита на ферритной основе. Перлитная структура стали получается при 0,8% С. Механические свойства перлита определяются формой и дисперсностью частиц цементитной фазы: чем мельче смесь, тем выше механические свойства. Сталь со структурой зернистого перлита обла­дает более высокой вязкостью и лучшей деформируемостью.

Ледебурит - эвтектическая смесь, состоящая при температуре вы­ше 727⁰С из смеси аустенита и цементита, а ниже 727⁰С - из смеси перлита и цементита. Ледебуритная структура чугуна образуется при 4,3% С. Ледебурит - твердая и хрупкая структурная составляющая. При обычных температурах твердость ледебурита в единицах Бринелля НВ ~ 6500 МПа.

Диаграмма состояния систе­мы сплавов железо-графит. Диаг­рамма состояния системы железо

- графит характеризует процессы превращений в железоуглеродис­тых сплавах, в результате кото­рых углерод выделяется в виде графита. В системе сплавов же­лезо - графит имеются следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит и графит.

Графит является более ус­тойчивой фазой, чем цементит, поэтому диаграмма системы желе­зо-углерод, когда образуется графитная фаза, называется ста­бильной диаграммой, а диаграмма системы железо - цементит - ме­тастабильной (неустойчивой).

Образование стабильных смесей системы железо-графит (ста- бильная) происходит при более высоких температурах, чем метастабильных.

На диаграмме, , пунктирные линии обозна­чают температуры, при которых выделяется графит. При температуре, соответствующей линии CIDI, кристаллизуется первичный графит, а на линии EICIFI образуется графитная эвтектика - смесь аустенита и графита. В интервале температур между линиями EICIFI и SIKI проис­ходит выделение вторичного графита, а на линии SIKI - образуется эвтектоид, состоящий из смеси феррита и графита. Таким образом, же­лезоуглеродистые сплавы в интервале температур между линиями EICIFI и SIKI представляют собой смесь фаз аустенита и графита, а ниже ли­нии SIKI - смесь фаз феррита и графита.

Чтобы углерод выделялся в виде графита и не образовывался це­ментит, необходимо весьма медленное охлаждение чугуна. В обычных производственных условиях в результате превращений одновременно ме­тастабильной и стабильной диаграмм образуются структуры, в которых могут встречаться как графитная, так и цементитная фазы.

Дата добавления: 2014-10-08; просмотров: 562; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!