телефон в Москве:

8 (495) 544-78-l7; 8 (925) 544-78-l7

8 (495) 648-38-29; 8 (929) 651-5O-8l 

E-mail:  info@snite-mebel.ru

Главная | Вопросы | Доставка | Магазины | Распродажа | Сертификат | Контакт |


Каталог



  

 

Магазин Орбита-Мебель - лучшие Интернет цены!
Интернет качественной детской мебели Орбита-Мебель

                  8 (495) 741-91-14


 

Теперь лучшая мебель для дома собрана в одном месте!
Мебельный Интернет магазин

 
 Остерегайтесь подделок!
Покупайте мебель в проверенных местах!

Главная
В корзине 0 шт.
На сумму: 0 руб.
оформить заказ

Диаграмма железа-углерода. Диаграмма состояния системы железо-углерод


Трудно представить современное строительство, технику, машиностроение и другие важнейшие отрасли без применения главных металлических сплавов из стали и чугуна. Их производство превышает все остальные в десятки раз.

Если рассмотреть сталь и чугун с точки зрения такой науки, как металловедение, то центральной фигурой предстает диаграмма состояния сплавов железо-углерод, которая позволяет получить подробные представления о составе и структурных превращениях в этих материалах. А также познакомиться с их фазовым составом.




диаграмма железа углерода

История открытия

Впервые на то, что в сплавах (сталях и чугунах) есть определенные (особые) точки, указал великий металлург и изобретатель — Дмитрий Константинович Чернов (1868 год). Именно он сделал важное открытие о полиморфных превращениях и является одним из создателей диаграммы состояния железо-углерод. По мнению Чернова, положение этих точек на диаграмме имеет прямую зависимость от процентного содержания углерода.

И что самое интересное, именно с момента этого открытия и начинает свою жизнь такая наука, как металлография.

Диаграмма сплавов железа с углеродом является результатом кропотливого труда ученных нескольких стран мира. Все буквенные обозначения главных точек и фаз в диаграмме являются интернациональными.

Понятие диаграммы

Графическое изображение процессов, происходящих в сплаве при изменении температурного режима, концентрации веществ, давления, называется диаграммой состояния. Она позволяет объемно и наглядно увидеть все превращения, происходящие в сплавах.




Элементы диаграммы железо-углерод

Краткая информация о каждом из этих элементов.

Железо – это серебристо-серый металл. Удельный вес — 7, 86 г/см3. Имеет температуру плавления 1539° С.

При взаимодействии железа и других металлов образуются соединения, называемые растворами замещения. Если с неметаллами, например с углеродом или водородом, то — растворами внедрения.

Железо имеет способность, будучи изначально твердым, находиться в нескольких состояниях, которые в металловедении принято называть «альфа» и «гамма». Это качество называется полиморфизмом. Об этом далее в статье.

Углерод – это неметалл. Если он выступает как графит, то температура плавления равна 3500° С. Если как алмаз — 5000° С. Плотность углерода — 2,5 г/см3. Он также обладает полиморфическими свойствами.

В сплавах железо-углерод этот элемент образует твердый раствор, в составе которого есть феррум, называемый цементитом (Fe3C). Также формирует графит в чугунах.

Диаграмма сплава железо-углерод

В результате взаимодействия составляющих диаграммы друг с другом, получается цементит – химическое соединение.

Как правило, при изучении диаграммы студентами-металловедами, все устойчивые соединения рассматриваются как компоненты, а само графическое изображение исследуется по частям.

Также на занятиях строят кривую охлаждения по диаграмме железо-углерод: выбирается процент углерода, а затем необходимо определить, какая фаза соответствует какой температуре на диаграмме.

Для этого необходимо кроме самой диаграммы начертить систему координат (температура-время). И начиная с максимальных градусов, двигаться постепенно вниз, изображая кривую и участки перехода одной фазы в другую. При этом необходимо называть их и указывать тип кристаллической решетки.


Далее рассмотрим подробнее само графическое изображение диаграммы состояния железо-углерод.

Во-первых, она имеет две формы (части):

  • железо-цементит;
  • железо-графит.

Во-вторых, сплавы, в которых главными «действующими лицами» является феррум и углерод, условно делят на:

  • стали;
  • чугуны.

Если углерода в сплаве менее или равно 2,14 % (точка Е на диаграмме), то это сталь, если более 2,14 % – чугун. По этой причине и подразделяют диаграмму на две фазы.

Полиморфные превращения

Более подробно о каждой фазе чуть ниже в статье. А если кратко, то осуществление главных превращений происходит при особых температурах.

Состояние железа обозначают как α-феррум (при температуре менее 911° С) . Кристаллическая решетка – объемный гранецентрированный куб. Или ОЦК. Дистанция между атомами такой решетки достаточно высокая.

Железо приобретает модификацию гамма, то есть обозначается как γ-феррум (911-1392° С) . Кристаллическая решетка — гранецентрированный куб (ГЦК). В этой решетке дистанция между атомами ниже, чем в ОЦК.

При переходе α-феррума в γ-феррум объем вещества становится меньшим. Причиной тому является кристаллическая решетка – ее вид. Потому что решетка ГЦК имеет более упорядоченное состояние атомов, чем ОЦК.

диаграмма железо углерод

Если переход осуществляется в обратном направлении — из γ-феррума в α-феррум, то объем сплава увеличивается.

Когда температура достигает значения 1392° С (но менее температуры плавления железа 1539° С), то α-феррум превращается в δ-феррум, но это не является ее новой формой, а лишь разновидностью. К тому же δ-феррум является неустойчивой структурой.

Свойства технически чистого железа

Магнитные свойства железа при различных температурах:

  • менее 768° С – ферромагнитно;
  • более 768° С – парамагнитно.

А температурную точку 768° С называют точкой магнитного превращения, или точкой Кюри.

Свойства технически чистого железа:

  • твердость – 80 НВ;
  • временное сопротивление — 250 МПа;
  • предел текучести – 120 МПа;
  • относительное удлинение 50 %;
  • относительное сужение – 80 %;
  • высокий модуль упругости.

диаграмма состояния железа углерод

Карбид железа

Графический вид составляющей части диаграммы железо-углерод: Fe3C. Вещество называется карбидом железа, или цементитом. Для него характерно:

  1. Содержание углерода 6,67 %.
  2. Удельный вес — 7,82 %.
  3. Кристаллическая решетка имеет ромбическую форму, состоящую из октаэдров.
  4. Плавление происходит при температуре ≈1260° С.
  5. Низкие ферромагнитные свойства при пониженной температуре.
  6. Твердость – 800 НВ.
  7. Пластичность практически равна нулю.
  8. Карбид железа образует твердые растворы замещения, в которых атомы углерода замещаются атомами неметаллов (азотом), а атомы железа – металлами (хромом, вольфрамом, марганцем). Этот твердый состав называется легированным.

Как уже отмечалось выше, цементит – это нестабильная фаза, а графит – стабильная. Поскольку первое вещество представляет собой неустойчивое соединение, распадаясь при определенных температурных условиях.


диаграмма сплава железо углерод

В диаграмме железо-углерод есть такие состояния:

  • жидкая фаза;
  • феррит;
  • аустенит;
  • цементит;
  • графит;
  • перлит;
  • ледебурит.

Рассмотрим каждую из них подробно.

Жидкая фаза

Феррум в жидком состоянии хорошо растворяет углерод. Это независимо от того, в какой пропорции они находятся по процентному содержанию. В результате образуется однородная жидкая масса.

диаграмма состояния сплавов железо углерод

Феррит

Является твердым раствором внедрения углерода в α-ферруме. Также может быть включено небольшое количество примесей. Но феррит имеет почти одинаковые качества, как и чистое железо. Если рассмотреть структуру под микроскопом, то можно увидеть полиэдрические зерна светлого тона.

Бывает:

  • низкотемпературный (при температуре 727° С растворимость углерода 0,02 %);
  • высокотемпературный (при 1499° С растворимость углерода 0,1 %), или его называют δ-феррум.

Свойства феррита:

  • твердость — 80-120 НВ;
  • временное сопротивление — 300 МПа;
  • относительное удлинение — 50 %;
  • обладает хорошими магнитными свойствами (до температуры 768° С).

Аустенит

Это твердый раствор внедрения углерода в γ-ферруме. Также могут быть в небольшом количестве примеси. В кристаллической решетке углерод находится в центре ГЦК ячейки. При рассмотрении структуры аустенита под микроскопом, виден как светлые зерна полиэдрической формы с двойниками.

Обладает следующими характеристиками:

  1. Растворимость углерода в γ-ферруме 2,14 % (при температуре 1147° С).
  2. Твердость аустенита 180 НВ;
  3. Удлинение — 40-50 %;
  4. Хорошие парамагнитные качества.

Цементит и его формы

Присутствует в таких фазах: Ц1, Ц2, Ц3 (первичный, вторичный и третичный цементит).

Что касается физико-химических показателей этих трех состояний, то они приблизительно равны. На механические свойства влияет размер частиц, их количество и расположение.

Также по диаграмме видно, что:

  • Ц1 образуется из жидкого состояния (под микроскопом он виден как пластины крупной величины);
  • Ц2 – из аустенита (располагаясь вокруг его зерен в виде сетки);
  • Ц3 – из феррита (располагаясь у границ ферритных зерен в виде мелких частиц).

Перлит и ледебурит

Смесь феррита и цементита называется перлитом. Он образуется при распаде аустенита (при температуре менее 727° С). При увеличении эта структура имеет форму пластин или зерен.

Перлит при постепенном снижении температуры присутствует во всех сплавах с содержанием углерода 0,02-6,67 %.

Ледебурит — смесь аустенита и цементита. Он образуется из жидкой фазы при охлаждении до температуры ниже 1147° С.

Чугуны

Сплавы на диаграмме железо-углерод, которые содержат углерода более, чем 2,14 %, называются чугунами. Они обладают высокой хрупкостью. Поперечное сечение такого чугуна имеет светлый тон, а потому его называют белым чугуном.

На диаграмме это точка С, называемая эвтектикой, с соответствующим содержанием углерода 4,3 %. При кристаллизации образуется смесь, состоящая из аустенита и цементита, в совокупности называемая ледебуритом. Фазовый состав постоянен.

диаграмма охлаждения железо углерод

При концентрации углерода менее 4,3 % (доэвтектический чугун) при кристаллизации выделяется аустенит из раствора. Далее из него выделяется Ц2. А при 727° С аустенит превращается в перлит. Структурное состояние такого чугуна следующее: крупные участки перлита темного тона.

В заэвтектическом белом чугуне (углерода более 4,3%) при охлаждении структурирование происходит с образованием кристаллов Ц1. Далее превращения осуществляются уже в твердом состоянии. Структура представляет собой ледебурит, который является фоном для полей перлита темного тона. А крупные пласты – это Ц1.

диаграмма сплавов железа с углеродом

Выводы

Достичь абсолютного равновесия, как физического, так и химического, невозможно, кроме как в специальных лабораторных условиях.

На практике равновесие может быть приближено к абсолютному, но при определенных условиях: достаточно медленного повышения или понижения температуры сплава, который будет длительно выдерживаться по времени.


Главная | О магазине | Доставка | Статьи | Контакт |