Презентация "Діаграма Fe-C"

Диаграмма — графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от их химического состава и температуры

Зачем вам, как будущим механикам, знать диаграмму железо-углерод

Стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в 10 раз. Диаграмма состояний железо-углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

По диаграмме можно определять структуру железоуглеродистых сплавов с любым содержанием углерода при любой заданной температуре. Диаграмма дает много важной информации о поведении сплавов железо—углерод при нагреве и охлаждении. Знания о марках и свойствах металлов и сплавов, способность использовать их во время технического обслуживания и ремонта оборудования

чугун

сталь

История создания диаграммы железо-углерод

Начало изучению диаграммы было положено работой Д.К. Чернова «Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные исследования Д.К. Чернова», опубликованной в 1868 г. Историческая справка

Дмитрий Константинович Чернов (1839-1921) Русский металлург и изобретатель, профессор металлургии Михайловской артиллерийской академии

Чернов совершил своё главное открытие в 1866—1868 годах. Он установил, что при изменении температуры сталь меняет свои свойства и проходит полиморфические превращения. Чернов вычислил точки, известные сейчас как точки Чернова. Чернов Д.К. Основоположник металловедения и термической обработки стали. Установил влияние термообработки стали на её структуру и свойства. Создал стройную систему кристаллизации стального литья.

Первый эскиз диаграммы железо-углерод Д.К.Чернова

Павел Петрович Аносов (1799-1851) Русский металлург. Разработал технологический процесс выплавки стали, положил начало металлургии легированных сталей, разгадал загадку знаменитой булатной стали. Впервые (1831 г.) применил микроскоп. Много сделал для превращения металлургии из ремесла в науку.

1988 г. Флорис Осмонд (Франция) Определил поло-жение и описал характер микроструктур-ных изменений при переходе через кр.точки с помощью пирометра. Р. Аустен (Англия) Установил образование твёрдых растворов при нагревании 1902 А.А.Байков (Россия) Основал первую в России лабора-торию металло-ведения и создал научную школу. Доказал образо-вание твёрдых растворов при нагревании 1988 г. Флорис Осмонд (Франция) Определил поло-жение и описал характер микроструктур-ных изменений при переходе через кр.точки с помощью пирометра.

40-е Н. Т. Гудцов (Россия) Основал в Московском институте стали новую научную школу в области металловедения и термической обработки стали. 1900 Г. В. Розебум (Голландия) Уточнил и обобщил экспериментальные данные о железо-углеродистых сплавах, создав первый вариант диаграммы Fe—С ХІХ П.Геренс (Германия) Использовав опыт своих пред-шественников и новые данные представил диаграмму отвечающую современному варианту.

Повторение и проверка опорных знаний

Основные понятия в теории сплавов Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы: механические смеси химические соединения твердые растворы

механические смеси образуют компоненты сплава с большим различием атомных диаметров, не способные к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступающие в химическую реакцию. Каждый из компонентов сохраняет свой тип кристаллической решетки. Свойства М.с. - промежуточные между свойствами элементов, в него входящих.

химическое соединение образуется между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными. Кристаллическая решетка отличается от решеток элементов его образующих; свойства соединения резко отличаются от свойств составляющих элементов.

твердые растворы Один компонент А (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой В (растворенный) – в виде атомов размещается в решетке растворителя. Например: запись Feα(C) означает, что это твердый раствор углерода в кристаллической решетке железа аллотропной модификации α, т.е. с решеткой ОЦК. Характерной особенностью твердых растворов является: наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя .

По расположению атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения

По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы с неограниченной растворимостью компонентов с ограниченной растворимостью компонентов

Компоненты в сплавах Fe-C (вещества образующие систему) Железо (Fe) Углерод (С) Цементит (Fe3C)

Железо (Fe) ферромагнитный переходный полиморфный металл, с порядковым номером 26 температура плавления 15390 + 50С температура кипения 32000С твердость по Бринеллю 80 кГ/мм2 прочность Gв= 28 кГ/мм2 пластичность δ = 50% плотность 7,87 г/см3

Кривая охлаждения железа- аллотропия железа 15390С до 13920С - α модификация Feα 13920С до 9100С - γ модификация Feα  Feγ 9100С до 7680С - α модификация Feγ  Feα 7680С - точка Кори от 7680С и ниже - α модификация Feα

Углерод (С) относится к неметаллам, электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок, вещество с самым большим числом аллотропических модификаций (более 8 уже обнаружены) температура плавления 35000С пластичность δ = 0% плотность 2,2 г/см3

Цементит (Fe3С) химическое соединение, карбид железа, аллотропических превращений не испытывает, концентрация углерода 6,67% температура плавления ~ 12600С твердость по Бринеллю 800 кГ/мм2 пластичность δ = 0%; слабо магнитен до 210°C Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита

Цементит – Fe3С химическое соединение с формулой Fe3С , имеет сложную кристаллическую решетку Карбид железа, состава 6,67%

Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния Fe-C. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железоуглеродистые сплавы

Имеются две диаграммы Fe-C метастабильная Fe – Fe3C (цементит) стабильная Fe – С (графит)

* Фазовая стабильная и метастабильная диаграмма состояния Fe–C

Фазы в сплавах Fe-C (однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Фазами могут быть отдельные металлы, их химические соединения, а также твердые и жидкие растворы на основе металлов) жидкий раствор –[Ж] феррит – [Ф] аустенит – [А] цементит – [Ц] свободный углерод в виде графита – [Гр]

Жидкий раствор В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Фазовая метастабильная диаграмма состояния Fe–Fe3C

Фазовая метастабильная диаграмма состояния Fe–Fe3C

Феррит - Feα (C) твердый раствор внедрения углерода в α - железе Кристаллическая решетка феррита Низкая растворимость обусловлена малым размером межатомных пор Максимум растворимости углерода: в низкотемпературном феррите – 0,02% в высокотемпературном феррите – 0,1% ● атомы железа ˅ атомы углерода твердость по Бринеллю 80 кг/мм2 прочность Gв= 28-30 кГ/мм2 пластичность δ = 50% магнитен до 7680С

Фазовая метастабильная диаграмма состояния Fe–Fe3C

Аустенит – Fe γ (C) твердый раствор внедрения углерода в γ - железе Кристаллическая решетка аустенита Растворимость углерода в Fe γ больше, т.к. ГЦК решетка имеет межатомные поры больше, чем ОЦК решетка Максимум растворимости углерода: 2,14% ● атомы железа ˅ атомы углерода Аустенит образуется только при температуре выше 7270С твердость по Бринеллю 200 – 250 кг/мм2 пластичность δ 40 - 50% парамагнитен

Цементит – Fe3С химическое соединение с формулой Fe3С , имеет сложную кристаллическую решетку Карбид железа, состава 6,67%

Фазовая метастабильная диаграмма состояния Fe–Fe3C

углерод (100%), выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии

Фазовая метастабильная диаграмма состояния Fe–Fe3C

Характерные линии диаграммы состояния Fe-Fe3C ABCD - начала кристаллизации сплава (ликвидус) AHJECF - конца кристаллизации сплава (солидус) Закристаллизовавшиеся сплавы состоят из трех фаз в разном их сочетании: [A], [Ф], [Ц] В системе Fe-Fe3C происходят три изотермических превращения: HJB – перитектическое (14990С) Фн +Жв  Aj ECF – эвтектическое (11470С) Жс  АЕ + Ц PSK – эвтектоидное (7270С) АS  Фр + Ц

ECF – эвтектическое (11470С) Эвтектическое превращение характеризуется следующими особенностями: в равновесии находятся три фазы: [Ж], [A], [Ц]; одновременно кристаллизуется две фазы: [A], [Ц]; температура кристаллизации постоянна и составляет 11470С; температура кристаллизации эвтектики (11470С) меньше, чем температура кристаллизации составляющих эвтектику фаз – аустенита (15390С) и цементита (~12600С и выше) Полная схема эвтектического превращения имеет вид: [Жс] ↔ Л [АЕ + ЦF] или [Ж4,3] ↔ Л [А2,14 + Ц6,67] Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется – ледебуритом (Эвтектика – мелкодисперсная механическая смесь разнородных кристаллов, кристаллизующихся одновременно при постоянной, самой низкой для рассматриваемой системы, температуре.)

ЛЕДЕБУРИТ Ледебурит представляет собой смесь двух фаз – аустенита и цементита; На диаграмме обозначен как Л [A+Ц]; Образуется в процессе первичной кристаллизации жидкого раствора с содержанием углерода 4,3% при постоянной температуре 11470С; Образующаяся смесь называется эвтектикой (от греч.eutektos – легкоплавкий), а приводящее к образованию смеси превращение – эвтектическим.

PSK – эвтектоидное (7270С) Эвтектоидное превращение имеет те же особенности, что и эвтектическое: в равновесии находятся три фазы: [А], [Ф], [Ц]; одновременно кристаллизуется две фазы: [Ф], [Ц]; температура кристаллизации постоянна и составляет 7270С. Полная схема эвтектоидного превращения имеет вид: [As] ↔ П [ФР + ЦК] или [А0,8] ↔ П [Ф0,03 + Ц6,67] Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется – перлитом (Эвтектоид - смесь двух стабильных твердых фаз, образованных одновременно из твердого раствора при эвтектоидном распаде и имеющая постоянную для данной системы состав)

ПЕРЛИТ Перлит представляет собой смесь двух фаз – феррита и цементита; На диаграмме обозначен как П[Ф+Ц]; Образуется при медленном охлаждении в процессе вторичной кристаллизации аустенита, содержащего 0,8% углерода при постоянной температуре 7270С; Образующаяся смесь называется эвтектоидом, а приводящее к образованию смеси превращение – эвтектоидным.

Характерные линии диаграммы состояния Fe-Fe3C NH и NJ – линии полиморфного превращения А4 GP и GS – линии полиморфного превращения А3 ES – линии ограниченной растворимости углерода в аустените PQ – линии ограниченной растворимости углерода в феррите DFKL – линия показывает, что Fe3C имеет постоянную концентрацию при любой температуре МО – Переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние, точка Кюри

Физико-механические свойства фазовых и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов Фазовые и структурные составляющие HВ, кГ/мм2 δ, % Феррит 80-100 50 Аустенит 200-250 40 Цементит 800-1000 0 Перлит 250 20 Ледебурит 600 1

Характерные точки диаграммы состояния Fe-Fe3C Точка t, 0C C, % Характеристика А 1539 0 точка плавления железа Н 1499 0,1 точка предельного насыщения углеродом α-феррита ( ↑ t0C) ( δ-феррит) при температуре перитектического превращения J 1499 0,16 точка трехфазного равновесия B 1499 0,51 предельная растворимость углерода в α-феррита ( ↑ t0C) N 1392 0 точка полиморфного превращения в чистом железе γ↔α (1392 °С), соответствует для чистого железа критической точке А4 D 1260 6,67 точка плавления цементита E 1147 2,14 точка, отвечающая предельному содержанию углерода в аустените, находящемся в равновесии с цементитом и жидкостью. Границей между сталями и чугунами. C 1147 4,3 точка трехфазного равновесия, из жидкого сплава одн.крист. А и Ц1, образуя эвтектику - Л F 1147 6,67 точка предельного насыщения цементита железом при эвтектической температуре (1147°С), концентрация углерода близка к 6,67 % G 911 0 точка полиморфного превращения в чистом железе α↔γ (911 °С), соответствует для чистого железа критической точке А3. Число степеней свободы равно нулю P 727 0,025 точка предельного насыщения углеродом α-феррита (при↑ t0C) S 727 0,8 Точка трехфазного равновесия, А испытывает эвтектоидное превращение, одновр.кристал. две фазы: феррит и цементит, называемый перлит K 727 6,67 Q 20 0,006 растворимость углерода в феррите при комнатной температуре

Анализ структуры по областям диаграммы

Структуры сталей

Кристаллизация сплава – 1%С ~ 14700С выделяются частицы твердого сплава железа с углеродом – Аустенита (ГЦК); ~ 12500С – весь металл затвердевает (весь углерод растворен в нем); ~ 8000С выделение цементита; - 7270С аустенит превращается в перлит

Структуры чугунов Л+П+ЦII Л Л+ЦI

Структура сталей и чугунов