Метастабильная диаграмма железо углерод

Диаграмма состояния железо углерод может иметь следующие фазы:

жидкая фаза – раствора углерода в железе;
твердый раствор углерода в гамма-железе;
твердый раствор углерода в альфа-железе (дельта-железе);
углерод в виде графита;
карбид железа Fe3C, который чаще называют цементитом.

Цементит присутствует даже в относительно медленно охлажденных сплавах: требуется длительное выдерживание при повышенной температуре, чтобы разложить цементит на железо и графит. По этой причине диаграмма состояния железо-углерод

имеет два вида: стабильная диаграмма
железо-углерод и метастабильная диаграмма железо-цементит
. Их еще называют «цементитная система» и «графитная система».

Диаграмма состояния – фундамент понимания сталей

Изучение микроструктуры всех сталей обычно начинают с рассмотрения метастабильной диаграммы состояния железо-углерод (Fe-C) (рисунок). Ее также называют диаграммой состояния железо-цементит (железо-карбид железа). Эта диаграмма дает фундамент для понимания структуры и фазового состава как углеродистых, так и легированных сталей, а также различных термических обработок, которым они подвергаются. См., например, «работу» диаграммы состояния или, может быть, правильнее фазовой диаграммы, при кристаллизации стали в статье «Литая структура стали«.

Рисунок – Метастабильная диаграмма состояния показывает какие фазы можно ожидать в стали при различных комбинациях содержания углерода и температуры. Иногда ее называют диаграммой состояния железо-цементит.

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.

Растворимость углерода в аустените и феррите

В низкоуглеродистом левом крае метастабильной диаграммы железо-углерод мы видим феррит (альфа-железо), который имеет максимальную растворимость 0,022 % при температуре 727 °C и аустенит (гамма-железо), который растворяет 2,11 % углерода при температуре 1148 °C. Видно, что область аустенита (гамма-железа) намного больше по сравнению с областью феррита (альфа-железа). Это ясно указывает на значительное большую растворимость углерода в аустените с максимумом 2,11 % при температуре 1148 °C.

Упрочнение углеродистых сталей, как и многих других сталей, основано именно на этой разнице в растворимости углерода в альфа-железе (феррите) и гамма-железе (аустените).

В богатой углеродом стороне метастабильной диаграммы Fe-C мы находим цементит (Fe3C). Меньший интерес, за исключением высоколегированных сталей, представляет дельта-феррит при самых высоких температурах.

Классификация железоуглеродистых сплавов

Различные комбинации этих элементов приводят к получению большого количества сплавов, которые можно разделить на три большие группы:

Техническое железо.
Стали.
Чугуны.

Техническое железо

К техническому железу относят материалы, в которых содержится менее 0,02% углерода. К сталям относят, материалы, в которых углерод находится в пределах от 0,02 до 2,14%. И в группу чугунов входят материалы, количество углерода в которых превышает 2,14%.

Однофазные области диаграммы

Подавляющее большинство сталей имеет только две аллотропических формы железа:

альфа-железо с объемноцентрированной кубической (ОЦК) атомной решеткой и
гамма-железо с гранецентрированной кубической (ГЦК) атомной решеткой.

При комнатной температуре ОЦК феррит является устойчивым от температуры 912 °C (точка А3), при которой он превращается в ГЦК аустенит. Аустенит превращается обратно в феррит при температуре 1394 °C (точка А4).

Этот высокотемпературный феррит называют дельта-ферритом, несмотря на то, что его кристаллическая структура идентична той, что у альфа-феррита. Дельта-феррит остается устойчивым до того, как он расплавляется при температуре 1538 °C.

Термообработка сталей в ООО КВАДРО

Наше предприятие уже почти четверть века производит на заказ термообработку металлов в Санкт-Петербурге. Заказать термообработку у нас Вы можете, оставив Вашу заявку на электронной почте или позвонив нам.

Мы производим термообработку сталей (в т.ч. нержавеющих, инструментальных и т.п.) по чертежам Заказчика или заданным режимам, а так же иных металлов и сплавов (алюминиевых и титановых, латуней и бронз, и т.д.).

Основные виды термической обработки металлов, осуществляемые на нашем предприятии на заказ:

закалка (в т.ч. в соляных ваннах, например, для калки быстрорезов);
отпуск;
отжиг;
нормализация;
улучшение;
цементация.

Напоминаем так же, что у нас вы можете воспользоваться широким спектром методов металлообработки, включая фрезерные работы и токарную обработку.

Критические температуры стали

Наиболее важные границы однофазных областей имеют специальные названия, Они включают (в международных обозначениях):

А1 – эвтектоидная температура, которая является минимальной температурой для аустенита;
А3 – низкотемпературная граница аустенита при низком содержании углерода (граница между областями «гамма-железо» и «гамма-железо + феррит»);
Асm – противоположная граница аустенитной области при высоком содержании углерода (граница между областями «гамма-железо» и «гамма-железо + цементит).

Иногда к обозначениям этих температур добавляют буквы c, e и r, например, Ас1, Ас3 и Аccm. Буква с обозначает, что фазовые превращения происходят при нагреве, буква e – при равновесии фаз, а буква r – при охлаждении.

Стабильная диаграмма железо-графит

Эту диаграмму называют также «графитной». При очень низкой скорости охлаждения углерод в виде графита может кристаллизоваться прямо из жидкой фазы. В этом случае образуется эвтектическая смесь аустенита и графита вместо эвтектики аустенита и цементита. Как показано на диаграмме штриховые линии, которые относятся к системе железо-графит, проходят при более высоких температурах, чем соответствующие линии системы железо-цементит. Это указывает на большую стабильность и близость к полному равновесию системы железо-графит. В пользу этого вывода свидетельствует и тот факт, что нагрев высокоуглеродистых сталей с большим содержанеим цементита приводит к его распаду: цементит —> железо + графит.

При умеренных скоростях охлаждения часть сплава может кристаллизоваться согласно «графитовой» диаграмме состояния, а другая часть – согласно «цементитной» диаграмме состояния.

Линии фазового равновесия на диаграммах обоих систем могут смещаться в зависимости от конкретных скоростей охлаждения. Наиболее заметное смещение можно видеть для линий выделения углерода в твердом гамма-растворе. Поэтому диаграмма является по-настоящему правильной только при условии очень медленного охлаждения сплавов.

Эвтектоидный перлит

Содержание углерода, при котором аустенит имеет минимальную температуру, называется эвтектоидным содержанием (0,77 % углерода по массе для случая метастабильной диаграммы состояния). Смесь ферритной и цементитной фаз при этом составе углерода, которая образуется при медленном охлаждении имеет характерную пластинчатую структуру, которую называют перлитом. Перлит представляет собой совокупность чередующихся пластин феррита и цементита. Эти пластины после выдержки при температуре близкой к А1 огрубляются («сфероидизируются») в цементитные частицы, распределенные в ферритной матрице.

Учебные материалы

Компонентами данной системы являются железо и углерод. Железо — металл серебристо-белого цвета, атомный номер 26, атомный вес 55,85, атомный радиус 1,27 Å, температура плавления 1539 0С, плотность 7,86 г/см3. Железо обладает невысокой твердостью и прочностью: НВ80, sв = 250 МПа, d = 50 %, j = 80 %; имеет три полиморфные модификации Fea, Feg и Fed.

Углерод

— неметаллический элемент, атомный номер 6, атомный радиус 0,77 Å, атомный вес 12,01, температура плавления 3500 0С, плотность 2,5 г/см3. Углерод полиморфен. Он может образовывать три кристаллографические формы: графит, алмаз, фуллерен.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состоянии, с железом может образовывать химическое соединение — цементит.

На диаграмме ”Fe-C” могут быть четыре фазы:

1) жидкая фаза (Ж); 2) феррит (Ф); 3) аустенит (А); 4) цементит (Ц).

Жидкая фаза — существует выше линии ликвидус. Железо хорошо растворяет углерод, образуя однородную жидкую фазу.

Феррит

— твердый раствор внедрения углерода в Fea.

Углерод располагается в решетке a-Fe в центре грани куба. Максимальная растворимость достигает 0,02 % С при 727 0С. При комнатной температуре максимально растворяется до 0,006 % С. Твердость и механические свойства феррита близки к свойствам технического железа.

Аустенит

— твердый раствор внедрения углерода в Feg.

Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. Предельная растворимость углерода в g-Fe 2,14 % при 1147 0С и 0,8 % при 727 0С.

Цементит

— химическое соединение железа с углеродом Fe3С.

В цементите содержится 6,67 % С. Он имеет сложную орторомбическую решетку, в элементарной ячейке которой находятся 12 атомов железа и 4 атома углерода. Температура плавления цементита точно не определена и составляет около 1500 0С. Цементит обладает очень высокой твердостью — порядка 800 НВ, хрупкий. До 217 0С имеет слабые ферромагнитные свойства. По моменту образования в сплаве цементит условно подразделяется на первичный (ЦI) — кристаллизуется из жидкой фазы, вторичный (ЦII) — выделяется из аустенита, третичный (ЦIII) — выделяется из феррита.

Цементит — соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

В учебном пособии рассматривается упрощенная диаграмма ”Fe-С” без высокотемпературного участка перитектического превращения (рисунок 29).

Линии на диаграмме:

АСД — ликвидус; АЕСF — солидус; SЕ — линия предельной растворимости углерода в аустените; РQ — линия предельной растворимости углерода в феррите; GS- линия начала вторичной перекристаллизации (при охлаждении) — аустенита в феррит; РG — линия конца вторичной перекристаллизации; S — эвтектоидная точка; РSК — линия эвтектоидного превращения; С — эвтектическая точка; ЕСF — линия эвтектического превращения.

Сплавы на диаграмме:

до 0,02 % С — техническое железо (феррит);
до 2,14 % С — углеродистые стали;
свыше 2,14 % С до 6,67 % С — углеродистые чугуны;
от 0,006 % С с до 0,8 % С — доэвтектоидные стали;
0,8 % С — эвтектоидная сталь;
свыше 0,8 % С до 2,14 % С — заэвтектоидные стали;
от 2,14 % С до 4,3 % С — доэвтектические чугуны;
4,3 % С — эвтектический чугун;
свыше 4,3 % С до 6,67 % С — заэвтектическими чугуны;
6,67 % С — цементит.

Эвтектоид представляет собой мелкодисперсную механическую смесь двух фаз — феррита и цементита вторичного (Ф+ЦI) и называется перлитом (П). Эвтектоид образуется при строго определенном количестве углерода в сплаве — 0,8 %. Эвтектоидное превращение (при охлаждении) идет при постоянной температуре (727 0С):

Рисунок 29 — Диаграмма состояния сплавов системы «железо-углерод» и кривые охлаждения

Эвтектика

представляет собой мелкозернистую механическую смесь двух фаз – аустенита и цементита первичного (А+ЦI) при 1147 0С и называется ледебуритом (Л). Эвтектическое превращение идет при постоянной температуре (1147 0С), когда жидкая фаза имеет строго определенное содержание углерода — 4,3 %:

Фазовые превращения в сплавах при охлаждении прослеживаются по кривым охлаждения.

Сплав I

содержит 0,8 % С и является эвтектоидным. Кристаллизация аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. До точки S в сплаве не происходит никаких фазовых превращений: сплав просто охлаждается. При температуре 727 0С (точка S) весь аустенит превращается в перлит. После эвтектоидного превращения феррит содержит 0,02 % С.

По мере охлаждения содержание в нем углерода снижается до 0,006 %. Избыток углерода идет на образование цементита третичного (ЦIII). Структура стали при комнатной температуре перлит. Из-за небольшого количества в сплаве цементит третичный на диаграмме не указывается.

Сплав II

является заэвтектоидным. От точки 3 до точки 4 идет кристаллизация аустенита. В точке 4 кристаллизация завершается, и сплав охлаждается без фазовых превращений до точки 5, которая соответствует предельной растворимости углерода в аустените.

По мере охлаждения содержание углерода снижается до 0,8 %. Избыток углерода идет на образование цементита вторичного (ЦII). При температуре 727 0С идет эвтектоидное превращение (точка 6). В результате охлаждения сплава до комнатной температуры образуется цементит третичный (ЦIII). Структура стали — перлит и цементит вторичный (располагается по границам зерен перлита).

Сплав III

является эвтектическим чугуном и содержит 4,3 % С. При охлаждении сплава при температуре 1147 0С (точка С) вся жидкая фаза превращается в ледебурит, в котором аустенит содержит 2,14 % С. По мере охлаждения содержание в нем углерода снижается до 0,8 %. Избыточный углерод образует цементит вторичный. В точке 7 идет эвтектоидное превращение, а ниже, по мере охлаждения, образуется цементит третичный (ЦIII). Изменение фазового состава эвтектического сплава происходит по схеме

Структура эвтектического чугуна — ледебурит.

Сплав IV

является заэвтектическим сплавом. От точки 8 до точки 9 идет кристаллизация первичного цементита (ЦI). В точке 9 жидкая фаза достигает эфтектической концентрации (4,3 % С) и идет эвтектическое превращение, образуется ледебурит. Превращение ледебурита до комнатной температуры аналогично сплаву III. Структура сплава — иглы первичного цементита и ледебурит.

Все углеродистые чугуны имеют температуру конца кристаллизации ниже, чем углеродистые стали, так как содержат в своем составе эвтектику (ледебурит). Этим определяются высокие литейные свойства чугунов (жидкотекучесть, небольшая усадка и малая склонность к поглощению газов) и отсутствие пластичности из-за повышенного содержания цементита.

Микроструктура железоуглеродистых сплавов приведена на рисунке 31.

Критические точки на диаграмме «Железо-углерод» > Дальше >

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.

Источники

https://FB.ru/article/340918/diagramma-jeleza-ugleroda-diagramma-sostoyaniya-sistemyi-jelezo-uglerod
https://PokVorota3.ru/prokat/zhelezo-uglerod-2.html
https://intehstroy-spb.ru/spravochnik/diagramma-sostoyaniya-zhelezo-uglerod-2.html
https://NiceSpb.ru/materialy/diagramma-zhelezo.html
https://pressadv.ru/stali/zhelezo-uglerod.html
https://wiki2.org/ru/%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D0%B0_%D1%81%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%81%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BE%D0%B2_%D0%B6%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%BE-%D1%83%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4
https://generator98.ru/raboty-so-stalyu/tablica-zhelezo-uglerod.html