Диаграмма состояния железо-цементит
Диаграмма состояния Fe – Fe 3 C
4 Характеристика железа Fe –ферромагнитный переходный полиморфный металл, серебристо-светлого цвета с порядковым номером 26. Температура плавления чистого Fe 1539 ° С. Плотность при комнатной температуре 7,68 г/см 3. Техническое Fe содержит не более 0,02 % С.
5 Характеристика углерода 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(температура плавления – 5000 °С).
Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; φ=80%).
Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пластичен (δ=40-50%).
Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ~800), хрупок и практически не обладает пластичностью.
Графит - это свободный углерод, мягок (НВ 3) и обладает низкой прочностью. С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.
Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид, т. е. подобный эвтектике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σв=800 МПа; относительное удлинение δ=15%; твердость НВ 160
Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость
Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% - чугуном.
В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14%, т. е. в сталях, образуется однофазная структура - аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т. е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.
В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы делят на две группы: Стали: а) доэвтектоидные ( 0,8 % > С > 0,02 %); б) эвтектоидные (С ≈ 0,8 %); в) заэвтектоидные ( 2,14 % > С > 0,8 %); 2. Чугуны: а) доэвтектические (4,3 % > С > 2,14 %); б) эвтектические (С ≈ 2,14 %); в) заэвтектические (6,67 % > С > 4,3 %). 14
ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита. CD – линия выделения первичного цементита.
AE – заканчивается кристаллизация аустенита. ECF – линия эвтектического превращения. PSK – линия эвтектоидного превращения. .
17 GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727 º C ). GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита. ES – линия выделения вторичного цементита. PQ – линия выделения третичного цементита. Характеристика линий диаграммы Fe–Fe3C
18 Характеристика точек диаграммы Fe–Fe 3 C А – точка плавления – кристаллизации чистого железа. Температура 1539 ° С, С – эвтектическая точка, температура 1147 ° С, концентрация углерода – 4,3 % (содержание углерода в жидком растворе, находящемся в равновесии с аустенитом и цементитом при эвтектическом превращении). D – точка, соответствующая температуре плавления цементита, ее положение на диаграмме не определено, так как цементит – термодинамически неустойчивая фаза и при плавлении разлагается на железо и графит.
19 G – точка полиморфного превращения в чистом железе α↔γ (911 ° С), соответствует для чистого железа критической точке А 3. Е – точка, отвечающая предельному содержанию углерода в аустените, Является границей между сталями и чугунами. Р – точка предельного содержания углерода в феррите, находящемся в равновесии с цементитом и аустенитом при эвтектической температуре (727 ° С), содержание углерода – 0,02 %. Эта точка определяет техническое железо в стали. S – эвтектоидная точка, температура 727 ° С, концентрация углерода – 0,8 % (содержание углерода в твердом растворе, находящемся в равновесии с ферритом и цементитом при эвтектоидном превращении). Характеристика точек диаграммы Fe–Fe3C
Светлые полиэдры твердого раствора феррита (Ф) и выделения избыточного цементита (Ц) по границам зерен. Структурные составляющие: ф еррит и цементит третичный (Ф+Ц III ). Фазы: ф еррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C) Твердость по Бринеллю 80-100 НВ х 300 х 100
Увеличение содержания углерода сверх 0,025% вызывает образование перлита – двухфазной структуры, формирующейся при эвтектоидном превращении. Перлит состоит из двух фаз: феррита и цементита и имеет суммарное содержание углерода 0,8%.. Количество перлита в доэвтектоидных сталях возрастает с увеличени ем содержания углерода.
Светлые (белые) участки твердого раствора феррита (Ф) и темные – перлита (П) пластинчатого строения. Структурные составляющие: ф еррит и перлит (Ф+П). Фазы: ф еррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C) Твердость по Бринеллю 1 1 0-1 2 0 НВ х 300
С ростом содержания углерода увеличивается количество темной перлитной структурной составляющей. Структурные составляющие: ф еррит и перлит (Ф+П). Фазы: ф еррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C) Твердость по Бринеллю 14 0-1 6 0 НВ х 300
Основная структурная составляющая – перлит с небольшими участками феррита. С ростом доли перлитной составляющей возрастает и общая твердость стали. Структурные составляющие: ф еррит и перлит (Ф+П). Фазы: ф еррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C) Твердость по Бринеллю 1 6 0-1 7 0 НВ х300
В стали, содержащей 0,8% углерода, получается чисто перлитная структура, поскольку этот состав является, согласно диаграмме равновесия, эвтектоидным.
Структура пластинчатого перлита (П). Тонкие пластины цементита (Ц) на светлом поле твердого раствора феррита (Ф). Структурные составляющие: п ерлит (П) Фазы: ф еррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C). Твердость по Бринеллю 1 8 0- 20 0 НВ Х 300
X 1000 X 5000 Хорошо видны чередующиеся пластинки феррита и цементита ( а) и ( б ), а также место стыка бывших аустенитных зерен ( б ). а ) б )
Заэвтектоидная сталь характеризуется избыточным содержанием цементита, который может выделяться по границам зерен перлита. Цементитная сетка является значительным дефектом заэвтектоидной стали, приводящим к снижению ее прочности и вязкости.
Структура состоит из пластинчатого перлита (П), окруженного светлой сеткой избыточного цементита (Ц), выделившегося по границам бывшего аустенитного зерна. Структурные составляющие: п ерлит и цементит вторичный (П+Ц II ). Фазы: ф еррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C). Твердость по Бринеллю 200-220 НВ х 300 х 300
Структура отличается от предыдущей большей толщиной цементитной сетки. Структурные и фазовые составляющие те же, что и выше. Твердость по Бринеллю 200-220 НВ х 300
Белые чугуны характеризуются тем, что весь углерод в них находится в связанном состоянии в форме карбида железа - цементита ( Fe 3 C ). По химическому составу и структуре чугуны делят на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.
В структуре доэвтектического белого чугуна наряду с аустенитом, образованн ым при первичной кристаллизации, и вторичным цементитом присутствует хрупкая эвтектика – ледебурит, количество которой возрастает с увеличением содержания углерода.
Темные участки распавшегося (на перлит) избыточного твердого раствора аустенита (А) и пестрая эвтектика –распавшийся ледебурит - между ними. Внутри распавшегося аустенита видны светлые выделения вторичного цементита (Ц II ). Структурные составляющие: а устенит распавшийся (перлит), ледебурит распавшийся и цементит вторичный ( А р +Л р +Ц II ). Фазы: Феррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C). При температуре выше А 1 фазы : аустенит ( -фаза) и цементит. х 300
Большое увеличение позволяет увидеть в нутри распавшегося аустенита светлые выделения вторичного цементита (Ц II ) в виде сетки по границам зерен. Структурные составляющие: а устенит распавшийся (перлит), ледебурит распавшийся и цементит вторичный ( А р +Л р +Ц II ). Фазы: ф еррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C). При температуре выше А 1 фазы – аустенит ( -фаза) и цементит. х 600
Структура состоит из эвтектики (распавшегося ледебурита – Лр ), представляющей собой р авномерно распределенные темные участки распавшегося твердого раствора аустенита (А) и светлые участки цементита (Ц). Структурные составляющие: э втектика ( Л р ). Фазы: ф еррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C). При температуре выше А 1 - аустенит и цементит Твердость по Бринеллю 50 0- 5 20 НВ х 300
х 300 х 300
Структура заэвтектического чугуна состоит из эвтектики (ледебурит) и первичного цементита,выделяющегося при кристаллизации из жидкости в виде крупных пластин.
Белые пластинки избыточного первичного цементита (Ц I ) и пестрая эвтектика (ледебурит распавшийся – Л р ) между ними. Структурные составляющие: э втектика (ледебурит распавшийся) и цементит первичный ( Л р +Ц I ). Фазы: ф еррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C). Твердость по Бринеллю 630-650 НВ х 100 х 7 00
39
Практическое применение диаграммы
С увеличением прочности и твердости, то есть с повышением содержания углерода в стали, обрабатываемость ухудшается. Однако и стали с очень малым содержанием углерода, со структурой почти чистого феррита обрабатываются плохо, давая низкую чистоту поверхности.
Штампуемость ухудшается по мере повышения прочностных свойств стали, особенно предела текучести.
Чем шире температурный интервал кристаллизации, тем легче образуются горячие трещины. Интервал кристаллизации возрастает с увеличением содержания углерода. Поэтому с повышением содержания углерода свариваемость ухудшается.
Литейные свойства стали ухудшается при увеличении содержания углерода. Поэтому для литья используют обычно стали с содержанием углеродов до 0,4% С.
Вопрос 1 Укажите линию ликвидус 1) PSK 2) ACD 3) ECF 4) SE
Вопрос 2 Укажите линию солидус 1) ACD 2) AECF 3) PSK 4) ECF Закрепление изученного материала
Вопрос 3 Укажите содержание углерода в цементите 1) 6,67 % 2) 4,3 % 3) 2,14% 4) 0,8% Закрепление изученного материала
Вопрос 4 Укажите содержание углерода в эвтектоиде 1) 6,67 % 2) 4,3 % 3) 2,14% 4) 0,8% Закрепление изученного материала
Вопрос 5 Укажите содержание углерода в эвтектике 1) 6,67 % 2) 4,3 % 3) 2,14% 4) 0,8% Закрепление изученного материала
Вопрос 6 Как называется структура, представляющая собой твердый раствор углерода в α- железе? 1) перлит 2) цементит 3) феррит 4) аустенит Закрепление изученного материала
Вопрос 7 Как называется структура, представляющая собой твердый раствор углерода в γ - железе? 1) феррит 2) цементит 3) аустенит 4) ледебурит Закрепление изученного материала
Вопрос 8 Как называется структура представляющая собой карбид железа Fe 3 C? 1) феррит 2) аустенит 3) ледебурит 4) цементит Закрепление изученного материала
Вопрос 9 Как называется структура, представляющая собой механическую смесь феррита и цементита? 1) перлит 2) δ-феррит 3) аустенит 4) ледебурит Закрепление изученного материала
Вопрос 10 Как называется структура, представляющая собой механическую смесь аустенита и цементита? 1) перлит 2) феррит 3) ледебурит 4) δ -феррит Закрепление изученного материала
