Какие фазы содержатся в сплавах железа с углеродом
Вопросы по теории на тему “Изучение зависимости между структурой и свойствами углеродистых сталей и чугунов” по предмету Материаловедение в МГТУ им. Баумана.
1. Какие фазы содержатся в сплавах железа с углеродом, какова кристаллическая структура и свойства этих фаз?
Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.
Феррит – мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: σв =300МПа; δ=40%; Ψ=70%; КСU = 2,5 МДж/м2; НВ 800-1000.
Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Feγ. Имеет ГЦК решетку. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ 1600-2000).
Цементит — карбид железа Fe3C. Содержит 6,69 %С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (НВ 8000) и хрупок.
Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.
2. Что представляет собой эвтектическое превращение в сплавах железа с углеродом?
При 1147°C идёт реакция, в результате которой образуется эвтектика: смесь аустенита и цементита – ледебурит
Эвтектическое превращение на линии ECF (1147°C): ЖC -> [АЕ + Ц] – 4,3% C;
3. Что представляет собой эвтектоидное превращение в сплавах железа с углеродом?
Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С): AS -> [ФР + Ц]. Феррит + цементит – Перлит – 0,8% C.
4. Каким образом появляется цементит в сплавах железа с углеродом? Укажите все пути образования цементита.
При изотермическом превращении:
Эвтектическое превращение: Ледебурит – смесь Аустенита и Цементита
Эвтектоидное превращение: Перлит – смесь Феррита и Цементита
При охлаждении: при температуре 20-25°С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита.
5. Что такое перлит, как он образуется, каковы его свойства.
Перлит – смесь двух фаз, образующихся при эвтектоидном превращении, в результате которого из аустенита выделяются феррит и цементит. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σв = 800-900 МПа; σ0,2 = 450 МПа; δ≤16%; НВ 1800-2200.
6. Что представляет собой вторичный цементит, как он образуется, каким образом влияет на свойства сплавов железа с углеродом?
По мере уменьшения концентрации в твердом растворе α компонент В вы падает в виде твердого раствора β-состава. Выпадающие кристаллы твердого раствора β называют вторичными и обозначают βII; этим подчеркивают, что они выпали из твердого раствора, а не из жидкого.
Образуется в заэвтектоидной стали. Выделение из аустенита вторичного цементита предшествует эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3—4. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой.
7. Чем стали отличаются от чугунов? Какие структурные составляющие в до- и заэвтектоидных сталях и в доэвтектических белых чугунах?
Стали отличаются от чугунов большим процентным содержанием углерода. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14% называют чугунами. Сталь более прочна и тверда, чугун более хрупок, обладает высокими литейными свойствами, достаточной прочностью, износостойкостью.
Диаграмма делится на области по содержанию углерода: 0–2,14% – сталь (0–0,8% – доэвтектоидная сталь, 0,8–2,14% – заэвтектоидная сталь); 2,14–6,67% – чугун (2,14–4,3% – доэвтектический чугун, 4,3–6,67% – заэвтектический чугун).
8. Какие чугуны являются белыми? Чем характеризуются свойства этих чугунов, как они практически используются?
В сплавах с содержанием углерода более 2,14% при кристаллизации происходит эвтектическое превращение. Такие сплавы называют белыми чугунами. Чугун обладает высокими литейными свойствами, достаточной прочностью, износостойкостью, а также относительной дешевизной. Их используют для производства качественных отливок сложной формы при отсутствии жестких требований к габаритам и массе деталей.
9. Какие чугуны являются серыми? Чем они отличаются от белых чугунов? Какие структурные составляющие содержатся в серых чугунах? В чем состоят преимущества и недостатки серых чугунов? Как маркируют серые чугуны? Как их используют?
Серыми называют чугуны с пластинчатой формой графита. По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные. Обычные серые чугуны-сплавы сложного состава, содержащие основные элементы: Fe-C-Si и постоянные примеси: Mn, Р и S. Содержание этих примесей в серых чугунах колеблется в следующих пределах: 2,2-3,7% С; 1-3% Si; 0,2-1,1% Mn; 0,02-0,3% Р и 0,02-0,15% S.
Структурная диаграмма чугунов в зависимости от содержания кремния и углерода.
I — белый чугун; II — половинчатый чугун; III, IIIа, IIIб — серый перлитный (перлит + графит), ферритно-перлитный (феррит + перлит + графит) и ферритный (феррит + графит) чугун соответственно.
Серый чугун плохо сопротивляется растяжению, имеет низкие прочность и пластичность. Марка серого чугуна состоит из букв СЧ и цифры, показывающей значение временного сопротивления при растяжении. Чугун целесообразнее использовать для деталей, работающих на сжатие.
10. Что представляет собой графитизация чугунов, от каких факторов она зависит? Какой может быть структура металлической основы серых чугунов и как получить желаемую структуру?
На графитизацию чугунов влияют содержащиеся в них элементы: Fe-C-Si и постоянные примеси: Mn, Р и S. В небольших количествах в обычных серых чугунах может содержаться Сг, Ni и Сu. Степень графитизации в чугуне возрастает с увеличением со держания углерода и кремния. Элементами, затрудняющими графитизацию (отбеливающими), являются марганец, сера, хром.
Основные элементы, которыми регулируют структуру металлической основы серого чугуна – углерод и кремний. Кроме химического состава, структура чугуна и его свойства зависят от технологических факторов, например скорости охлаждения.
11. От каких факторов зависит прочность серых чугунов? Как влияют графитные включения на механические свойства серых чугунов?
Ухудшая механические свойства, графит в то же время придает чугуну ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при обработке резанием, оказывает смазывающее действие и, следовательно, повышает износостойкость чугуна, придает ему демпфирующую способность. Кроме того, пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность чугуна к дефектам поверхности.
Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и, главным образом, количества, формы и размеров графитных включений. Прочность, твердость и износостойкость чугунов растут с увеличением количества перлита в металлической основе. Решающее влияние графита обусловлено тем, что его пластинки, прочность которых ничтожно мала, дей ствуют как надрезы или трещины.
12. Какую форму графита содержат высокопрочные чугуны? Как обычный чугун сделать высокопрочным? Какую структуру имеет металлическая основа этого чугуна? В чем состоят преимущества и недостатки высокопрочных чугунов? Как маркируют высокопрочные чугуны? Как их используют?
Высоко прочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02-0,08%. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным или перлитным.
Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Маркируют высокопрочные чугуны по пределу прочности и относительному удлинению (ВЧ + цифра).
Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники. Из них изготовляют оборудование прокатных станов, корпуса паровой турбины, коленчатые валы, поршни и многие другие ответственные детали, работающие при высоких циклических на грузках и в условиях изнашивания.
13. Какие чугуны являются ковкими? Какую форму графита содержат ковкие чугуны? Как формируется структура ковкого чугуна? Как происходит графитизация при отжиге белого чугуна? В чем состоят преимущества и недостатки ковких чугунов? Как маркируют ковкие чугуны? Как их используют?
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.
В процессе продолжительной (10-15 ч) выдержки при температуре несколько ниже эвтектической — 950 — 1000 °С происходит первая стадия графитизации. Затем температуру медленно снижают. При этом происходит промежуточная стадия графитизации. Вторая стадия графитизации протекает или при весьма медленном охлаждении в эвтектоидном интервале температур, или при длительной выдержке (25-30 ч) несколько ниже температуры эвтектоидного превращения (720-740 °С).
В результате такого отжига продолжительностью 70-80 ч весь углерод выделяется в свободном состоянии и формируется структура, состоящая из феррита и углерода отжига.
От сутствие литейных напряжений, которые полностью снимаются во время отжига, компактная форма и изолированность графитных включений обусловливают высокие механические свойства ковких чугунов. Недостаток ковких чугунов – повышенная стоимость. Маркировка: КЧ + цифра (σв – δ)
14. Чем объясняется различие механических свойств серого, высокопрочного и ковкого чугуна?
Различие механических свойств серого, высокопрочного и ковкого чугуна объясняются структурой металлической основы, количеством, формой и размером графитных включений.
Диагра́мма фа́зового равнове́сия (диаграмма состоя́ния) желе́зо—углеро́д (иногда эту диаграмму называют «диаграмма железо—цементит») — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.
Диаграмма состояния[править | править код]
Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы на основе железа с содержанием углерода до 5 %, практически интересна часть диаграммы состояния от чистого железа до цементита[1]. Поскольку цементит — метастабильная фаза, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке).
Для серых чугунов и графитизированных сталей рассматривают стабильную часть диаграммы железо—графит (Fe—Гр), поскольку именно графит является в этом случае стабильной фазой. Цементит выделяется из расплава намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго, несмотря на метастабильность. В серых чугунах графит существует обязательно.
На рисунке тонкими пунктирными линиями показаны линии стабильного равновесия (то есть с участием графита), там где они отличаются от линий метастабильного равновесия (с участием цементита), а соответствующие точки обозначены штрихом. Обозначения фаз и точек на этой диаграмме приведены согласно неофициальному международному соглашению.
Фазы диаграммы железо-углерод[править | править код]
Часть диаграммы состояния сплавов железо-цементит
В системе железо — углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.
Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях[источник не указан 1055 дней] с образованием однородной жидкой фазы.
Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с объёмно-центрированной кубической решёткой.
Феррит имеет переменную, зависящую от температуры предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 700 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки[2].
При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка H).
Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твёрдость по Бринеллю — 130 НВ) и пластичен, ферромагнитен (при отсутствии углерода) до точки Кюри — 770 °C.
Аустенит (γ) — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой.
Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е). Аустенит имеет твёрдость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен. При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования[3].
Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит — метастабильная фаза и при длительном нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.
В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:
- цементит первичный (выделяется из жидкости),
- цементит вторичный (выделяется из аустенита),
- цементит третичный (из феррита),
- цементит эвтектический и
- эвтектоидный цементит.
Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен[4].
Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита. Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфер. Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твёрдости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.[5]
Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой.
Плотность графита (2,3 г/см3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5—7,8 г/см3) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.
Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфер (высокопрочный чугун).
Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности — высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и в некоторых марках стали — в так называемых графитизированных сталях.
Фазовые переходы[править | править код]
Линия ACD — это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии ACD — жидкий сплав. Линия AECF — это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).
По линии ликвидуса АС (при температурах, отвечающих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD — цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса AE, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита. На линии солидуса EC (1147° С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделялся аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания будут иметь структуру аустенит + ледебурит.
На линии солидуса CF (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделялся цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания будут иметь структуру — первичный цементит + ледебурит[6].
В области ACEA, между линией ликвидуса AC и солидуса AEC, будет жидкий сплав + кристаллы аустенита. В области CDF, между линией ликвидуса CD и солидуса CF, будет жидкий сплав + кристаллы цементита (первичного). Превращения, протекающие при затвердевании сплавов, называют первичной кристаллизацией. В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14 % образуется однофазная структура — аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями.
Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми[4].
В железоуглеродистых сплавах превращения происходят также и в твердом состоянии, называемые вторичной кристаллизацией и характеризуемые линиями GSE, PSK, PQ. Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP будет структура аустенит + феррит.
Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147 °С в аустените может раствориться углерода 2,14 %, а при 727°С — 0,8 %. С понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727°С) сталь имеет структуру: аустенит + цементит (вторичный). В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147 °С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже будет выделяться вторичный цементит. Следовательно, ниже линии EC (до температуры 727 °С) белый чугун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вторичный.
Линия PSK (727° С) — это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом. Ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры.
- Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, имеют структуру феррит + перлит и называются доэвтектоидными сталями.
- Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью.
- Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % имеют структуру цементит + перлит и называются заэвтектоидными сталями.
- Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % имеют структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими чугунами.
- Белый чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим чугуном.
- Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % имеют структуру цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чугунами[5].
Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при комнатной температуре. При охлаждении ниже температуры 727° С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом третичный цементит в структуре можно не учитывать из-за весьма малых его количеств. Однако в низкоуглеродистых сталях в условиях медленного охлаждения третичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 76). Эти выделения уменьшают пластические свойства стали, особенно способность к холодной штамповке[5].
См. также[править | править код]
Примечания[править | править код]
- ↑ Кузьмин, 1971, с. 91.
- ↑ Циммерман, 1982, с. 31.
- ↑ Циммерман, 1982, с. 33.
- ↑ 1 2 Кузьмин, 1971, с. 93.
- ↑ 1 2 3 Кузьмин, 1971, с. 95.
- ↑ Кузьмин, 1971, с. 92.
Литература[править | править код]
- Кузьмин Б. А., Самохоцкий А. И., Кузнецова Т. Н. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. — Москва: Высшая школа, 1971. — 352 с.
- Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. — Справ. издание. Пер. с нем.. — Москва: Металлургия, 1982. — 480 с.