Диаграма желязо-въглерод. Диаграмата на състоянието на желязо-въглеродната система

Трудно е да си представим модерното строителство, машини, инженеринг и други важни отрасли без използването на основните метални сплави от стомана и чугун. Производството им надвишава всички останали в десетки пъти.

Ако разгледаме стоманата и чугун от гледна точка на науката като металургията, централната фигура е диаграма на състоянието на желязо-въглеродните сплави, което ни дава подробна представа за състава и структурните трансформации в тези материали. Също така се запознайте с фазовия им състав.

История на откритието

За пръв път в сплавите (стомани и отливки) има определени (специални) точки, посочи великият металург и изобретател - Дмитри К. Чернов (1868). Той е направил важно откритие за полиморфните трансформации и е един от създателите на железо-въглеродната диаграма на състоянието. Според Чернов позицията на тези точки в диаграмата зависи пряко от процентното съдържание на въглерод.

И това, което е най-интересно, от момента на това откритие е, че такава наука като металографията започва своя живот.

Диаграмата на сплавите на желязото с въглерод е резултат от усилената работа на учени от няколко страни по света. Всички азбучни означения на основните точки и фази в диаграмата са международни.

Концепцията за диаграма

Графичното представяне на процесите в сплавта, когато температурният режим, концентрацията на веществата и налягането се променят, се нарича диаграма на състоянието. Тя ви позволява визуално и визуално да видите всички трансформации, настъпващи в сплавите.

Елементи от диаграмата желязо-въглерод

Кратка информация за всеки от тези елементи.

Желязото е сребристосив метал. Специфично тегло - 7, 86 g / cm3. Има точка на топене 1539 ° С

Когато желязото и другите метали взаимодействат, се образуват съединения, наречени заместващи разтвори. Ако с неметали, например, с въглерод или водород, тогава - решения за имплантиране.

Желязото има способността, първоначално твърдо, да бъде в няколко държави, които в металознанието често се наричат ​​"алфа" и "гама". Това качество се нарича полиморфизъм. За това по-късно в статията.

Въглеродът е неметален. Ако се появи като графит, тогава точката на топене е 3500 ° С. Ако и двата диаманта е 5000 ° С. Плътността на въглерода е 2,5 g / cm³. Също така има полиморфни свойства.

В желязо-въглеродните сплави този елемент образува твърд разтвор, в състава на който има ферум, наречен цементий (Fe₃C). Той също така формира графит в чугун.

Схема на желязо-въглеродна сплав

В резултат на взаимодействието на съставните диаграми един с друг се получава цементий - химическо съединение.

Като правило, когато се изучава диаграмата от ученици от метал, всички стабилни връзки се считат за компоненти, а самият графичен образ се разглежда частично.

Също така в този клас се описва графиката на охлаждане на диаграмата желязо-въглерод: процентът на въглерода се избира и след това е необходимо да се определи коя фаза съответства на температурата в диаграмата.

За да направите това, в допълнение към самата схема, нарисувайте координатна система (температура-време). И като се започне с максималните градуси, се движи постепенно надолу, изобразявайки кривата и участъците от прехода на една фаза към друга. В този случай е необходимо да ги наречете и да посочите вида на кристалната решетка.

По-нататък, нека разгледаме по-подробно графичното представяне на диаграмата на състоянието на желязо-въглерод.

Първо, тя има две форми (части):

• желязо-цементит;
• желязо-графит.

На второ място, сплавите, в които основните "участници" са ферум и въглерод, обикновено се разделят на:

• стомана;
• чугуни.

Ако въглеродът в сплавта е по-малък или равен на 2,14% (точка Е на диаграмата), тогава това е стомана, ако повече от 2,14% е чугун. По тази причина диаграмата е разделена на две фази.

Полиморфни трансформации

Повече за всяка фаза малко по-късно в статията. Накратко, осъществяването на основните трансформации се извършва при определени температури.

Състоянието на желязото е означено като алфа - ферум (при температура по - малка от 911 ° С). Кристалната решетка е обем, ориентиран към лицето. Или БКК. Разстоянието между атомите на такава решетка е доста високо.

Желязото придобива гама модификация, т.е. тя е обозначена като гама-ферум (911-1392 ° С). Кристалната решетка е лицев центриран куб (fcc). В тази решетка разстоянието между атомите е по-ниско, отколкото в BCC.

В прехода алфа - ферум в гама-ферум, обемът на веществото става по-малък. Причината за това е кристалната решетка - нейната форма. Тъй като fcc решетка има по-подредени състояние на атоми, отколкото bcc.

Ако преходът е в обратна посока - от гама - ферум в алфа-ферум, обемът на сплавта се увеличава.

Когато температурата достигне 1392 ° C (но е по-ниска от точката на топене на желязо 1539 ° C), тогава алфа - ферум се превръща в delta - ferrum, но това не е неговата нова форма, а само един вид. В допълнение delta-ferrum е нестабилна структура.

Свойства на технически чиста желязо

Магнетични свойства на желязо при различни температури:

• по-малко от 768 ° C - феромагнитни;
• повече от 768 ° C - парамагнитни.

Температурна точка от 768 ° C се нарича магнитна точка на преобразуване или точка на Кюри.

Свойства на технически чиста желязо:

• твърдост - 80 HB;
• временно съпротивление от 250 МРа;
• якост на провлачване - 120 МРа;
• удължение от 50%;
• относително стесняване - 80%;
• висок модул на еластичност.

Карбид от желязо

Графичен изглед на съставната част на диаграмата желязо-въглерод: Fe3C. Веществото се нарича железен карбид или цементий. Тя се характеризира с:

1. Съдържанието на въглерод е 6,67%.
2. Специфичното тегло е 7.82%.
3. Кристалната решетка има ромбична форма, състояща се от октададра.
4. Топенето става при температура asymp-1260 ° С.
5. Ниски феромагнитни свойства при ниска температура.
6. Твърдостта е 800 HB.
7. Пластиката е практически нула.
8. Железни карбиди образуват твърди заместващи разтвори, в които въглеродните атоми са заменени от неметални атоми (азот) и железни атоми от метали (хром, волфрам, манган). Този твърд състав се нарича легиран.

Както бе отбелязано по-горе, цементият е нестабилна фаза, а графитът е стабилен. Тъй като първото вещество е нестабилно съединение, дезинтегрира се при определени температурни условия.

В диаграмата желязо-въглерод има такива състояния:

• течна фаза;
• ферит;
• аустенит;
• цементит;
• графит;
• перлит;
• Ledebour.

Нека разгледаме всеки от тях подробно.

Течна фаза

Ferrum в течно състояние разтваря добре въглерода. Това е независимо от пропорцията, в която са в проценти. В резултат на това се образува хомогенна течна маса.

ферит

Включва твърд разтвор на въглен в алфа - ферум. Може да се включи и малко количество примеси. Но феритът има почти същите качества като чистата желязо. Ако разгледаме структурата под микроскоп, можем да видим полиедрични зърна от светлинен тон.

Това се случва:

• ниска температура (при температура 727 ° С, разтворимостта на въглерода е 0.02%);
• висока температура (при 1499 ° С разтворимост на въглерод 0,1%), или се нарича делта ферум.

Свойства на феритите:

• твърдост - 80-120 HB;
• временно съпротивление от 300 МРа;
• удължението е 50%;
• има добри магнитни свойства (до температура 768 ° C).

аустенит

Това е твърд разтвор на въглеродно влагане в гама-ферум. Може да има и малко количество примеси. В кристалната решетка въглеродът е в центъра на fcc клетката. Когато разглеждаме структурата на аустенита под микроскоп, тя се разглежда като леки зърна от полиедрена форма с близнаци.

Тя има следните характеристики:

1. Разтворимостта на въглерода в гама-ферум 2,14% (при температура 1147 ° С).
2. Твърдост на аустенита 180 НВ;
3. Удължаване - 40-50%;
4. Добри парамагнитни качества.

Cementite и неговите форми

Представя се в такива фази: Ц1, Ц2, Ц3 (първичен, вторичен и третичен цементий).

Що се отнася до физикохимичните параметри на тези три състояния, те са приблизително равни. Механичните свойства се влияят от размера на частиците, от техния брой и местоположение.

Също така, според диаграмата е ясно, че:

• U1 се образува от течно състояние (под микроскоп се вижда като голяма плоча);
• Ц2 - от аустенит (утаяване около зърната си под формата на решетка);
• C3 - от ферит (разположен на границата на феритни зърна под формата на фини частици).

Перлит и лебебурит

Смес от ферит и цементий се нарича перлит. Той се образува по време на разграждането на аустенит (при температура по-ниска от 727 ° C). Когато се уголеми, тази структура е под формата на плочи или зърна.

Перлит с постепенно намаляване на температурата присъства във всички сплави със съдържание на въглерод от 0.02-6.67%.

Ledeburite е смес от аустенит и цементий. Той се образува от течната фаза при охлаждане до температура под 1147 ° С.

Чугун

Сплавите в диаграмата желязо-въглерод, които съдържат въглерод над 2,14%, се наричат ​​чугун. Те са много крехки. Напречното сечение на такъв чугун има лек тон, поради което се нарича бяло желязо.

На диаграмата това е точката С, наречена евтектика, със съответното въглеродно съдържание от 4,3%. По време на кристализацията се образува смес, състояща се от аустенит и цементий, наричани общо ледебурит. Фазовият състав е постоянен.

При концентрация на въглерод, по-малка от 4,3% (предварително евтектичен чугун), аустенитът се утаява от разтвора по време на кристализацията. След това от него се разпределя Ts2. И при 727 ° C аустенитът се превръща в перлит. Структурното състояние на такъв чугун е следното: големи площи от тъмния перлит.

В хипереутектиката бял чугун (въглерод над 4,3%) при охлаждане, структурирането се извършва при образуване на кристали С1. По-нататъшни трансформации вече се извършват в твърдо състояние. Структурата е ledeburite, което е фонът за тъмните перлитни полета. И големите слоеве са CI.

данни

Невъзможно е да се постигне абсолютно равновесие, както физическо, така и химическо, освен в специални лабораторни условия.

На практика равновесието може да бъде сближено до абсолютната, но при определени условия: достатъчно бавно увеличаване или намаляване на температурата на сплавта, което ще продължи дълго.