Диаграмма состояния железо-углерод
По дисциплине
КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ
ОПК
«Термическая обработка металлов и сплавов»
для специальности 150106 «Обработка металлов давлением»
Термическая обработка заключается в изменении структуры металла и сплавов путём нагрева, выдержки и охлаждения с соблюдением установленных режимов.
Диаграмма состояния «железо-углерод» («железо-цементит») характеризует особенности процесса кристаллизации, фазовый состав и микроструктуру жезезоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов. Она построена в координатах «температура – концентрация компонентов» (рис.27).
Рис.27 Диаграмма состояния «железо-углерод»
Железо – это металл, имеющий полиморфные превращения при температурах 911оС и 1392оС. Полиморфные модификации железа принято обозначать Feα (ОЦК-решётка) и Feγ (ГЦК-решётка). При температуре 911оС Feα ↔ Feγ, а при температуре 1392 оС Feγ ↔ Feα. Кроме того, при температуре 768 оС (точка Кюри) происходит магнитное превращение железа. Температура плавления железа - 1539 оС.
Углерод способен растворяться в Feα и Feγ, образуя твёрдые растворы - феррит и аустенит, а также образовывать c железом химическое соединение – цементит.
Таким образом, в железоуглеродистых сплавах образуются следующие фазы: жидкий расплав (жидкость), феррит, аустенит, цементит.
Жидкость принято обозначать Ж или L (от слова «ликвидус»).
Феррит - это твёрдый раствор углерода в Feα, максимальная концентрация углерода в котором составляет 0,02% (у низкотемпературного Feα). Его принято обозначать Ф, α или Feα. На диаграмме состояния феррит существует в областях AHN и GPQ. При понижении температуры растворимость углерода в феррите понижается в соответствии с линией PQ.
Аустенит – это твёрдый раствор углерода в Feγ, максимальная концентрация углерода в котором составляет 2,14%. Его принято обозначать А, γ или Feγ. На диаграмме состояния аустенит существует в области NJЕSG. При понижении температуры растворимость углерода в аустените понижается в соответствии с линией ES.
Цементит – это химическое соединение железа и углерода Fe3С, имеющее постоянную концентрацию углерода - 6,67%. На диаграмме ему соответствует линия DL.
ABCD - линия ликвидус, AHJECF – линия солидус.
Координаты точек диаграммы приведены в таблице 2.
Таблица 2. Точки диаграммы «железо-цементит»
| Обозначение точки | Температура, оС | Концентрация углерода, % |
| A | ||
| B | 0.5 | |
| H | 0.1 | |
| J | 0.16 | |
| N | ||
| E | 2.14 | |
| C | 4.3 | |
| F | 6.67 | |
| D | 6.67 | |
| G | ||
| P | 0.02 | |
| S | 0.8 | |
| K | 6.67 | |
| Q | 0.006 | |
| L | 6.67 |
У сплавов, содержащих более 2,14% углерода (чугунов), кристаллизация заканчивается эвтектической реакцией, при которой из жидкости, содержащей 4,3% углерода, одновременно кристаллизуются аустенит и цементит (ледебурит): Lc↔АЕ+Ц. Эвтектическая реакция происходит при температуре 1147 оС и на диаграмме ей соответствует линия ECF. Структура ледебурита представлена на рисунке 29 б.
Так как железо склонно к полиморфным превращениям, то и его твёрдые растворы также претерпевают превращения, которые происходят в виде перитектической и эвтектоидной реакций.
Перитектическая реакция происходит при температуре 1499 оС и ей на диаграмме соответствует линия HJB. Она заключается во взаимодействии жидкости, содержащей 0,5% углерода, и кристаллов феррита (0,1% С) с образованием аустенита (0,16% С): Lв+Фн↔Аj
Эвтектоидная реакция происходит при температуре 727 оС и ей на диаграмме соответствует линия PSK. Она заключается в распаде аустенита, содержащего 0,8 % С на феррит (0,02 % С) и цементит (перлит): АS↔ФP+Ц. Структура перлита представлена на рисунке 29 в.
В зависимости от содержания углерода, а следовательно и структуры в равновесном состоянии железоуглеродистые сплавы принять классифицировать на следующие группы:
1. техническое железо – сплавы железа и углерода, содержащие менее 0,02 % С и состоящие из феррита и третичного цементита (рис.28 а);
2. стали – сплавы железа и углерода с содержанием углерода 0,02-2,14 %;
а) доэвтектоидные стали содержат более 0,02, но менее 0,8 % С и состоят из феррита и перлита (рис.28 б);
б) эвтектоидная сталь содержит 0,8 % С и имеет структуру пластинчатого перлита (рис.28 в);
в) заэвтектоидные стали содержат более 0,8-2,14 % С и состоят из перлита и вторичного цементита (рис.28 г);
Рис.29 Микроструктуры технического железа и сталей.
3. чугуны – сплавы железа и углерода с содержанием углерода 2,14-6,67 %;
а) доэвтектические чугуны содержат 2,14-4,3 % С и имеют структуру перлит+ ледебурит+цементит вторичный (рис.29 а);
б) эвтектический чугун содержит 4,3 % С и имеет структуру ледебурита (рис.29 б);
в) заэвтектические чугуны содержат более 4,3 до 6,67 % С и состоят из первичного цементита и ледебурита (рис.28 в).
Тема1.1: Понятие о термической обработке металлов и сплавов