Кривая охлаждения железо цемент
Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит:
Железо
Железо – d-переходный металл серебристо-светлого цвета. Температура плавления – 1539° С. Удельный вес равен 7,86 г/см3. Наиболее существенной особенностью железа является его полиморфизм. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях — α и γ. Полиморфные превращения происходят при температурах 911° С и 1392° С. При температуре ниже 911° С и выше 1392° С существует Feα (или α-Fе) с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392° С устойчивым является Feγ (или γ-Fе) с гранецентрированной кубической решеткой. При превращении α→γ наблюдается уменьшение объема, так как решетка γ-Fе имеет более плотную упаковку атомов, чем решетка α-Fе. При охлаждении во время превращения γ→α наблюдается увеличение объема. В интервале температур 1392…1539° С высокотемпературное Feα называют Feδ. Высокотемпературная модификация Feα не представляет собой новой аллотропической формы.
При температуре ниже 768° С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точку 768° С, соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри. Модификация Feγ парамагнитна.
Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (временное сопротивление – σв=250 МПа, предел текучести – σт=120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ=50 %, а относительное сужение – ψ=80 %). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.
Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.
Углерод
Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500° С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000° С).
В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).
Цементит
Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Более точные исследования показали, что цементит может иметь переменную концентрацию углерода. Однако в дальнейшем, при разборе диаграммы состояния, сделаем допущение, что Fе3С имеет постоянный состав. Кристаллическая решетка цементита ромбическая, удельный вес 7,82 г/см3 (очень близок к удельному весу железа). При высоких температурах цементит диссоциирует, поэтому температура его плавления неясна и проставляется ориентировочно – 1260° С. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 210° С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.
Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: например, азотом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.
Если графит является стабильной фазой, то цементит – это метастабильная фаза. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.
Описание
Концентрация углерода в цементите — 6,67% по массе — предельная для железоуглеродистых сплавов. Цементит — метастабильная фаза; образование стабильной фазы — графита во многих случаях затруднено. Цементит имеет орторомбическую кристаллическую решётку, очень твёрд и хрупок, слабо магнитен до 210 °C.
В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму — равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру.
Цементит в разных количествах, в зависимости от концентрации, присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Формируется в процессе кристаллизации из расплава чугуна. В сталях выделяется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Цементит является фазовой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, составной частью ледебурита, перлита, сорбита и троостита. Цементит — представитель так называемых фаз внедрения, соединений переходных металлов с лёгкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи.
Твёрдость по Бринеллю больше 800 кг/мм2.
Первичный цементит кристаллизуется из жидкого сплава
Вторичный цементит — из аустенита
Третичный цементит — из феррита
Текст 3 страницы из документа «Учебное пособие — Диаграмма состояния железо-цементит»
При дальнейшем понижении температуры в интервале
(1147 – 727) 0 С доэвтектические чугуны имеют структуру: аустенит + цементит вторичный + ледебурит.
Рис.8. Часть диаграммы Fe – Fe3C с распределением фаз
(область белых чугунов)
Появление вторичного цементита обусловлено его выделением из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в γ-модификации железа (по линии ES от 2,14 до 0,8%) при понижении температуры.
В этом же температурном интервале структура эвтектических сплавов – ледебурит, заэвтектических – ледебурит + цементит первичный.
На линии перлитовых превращений при 727 0 С аустенит, содержащий 0,8% углерода, распадается и образуется перлит.
Поэтому ниже 727 0 С (линии PSK) ледебурит представляющий собой уже смесь цементита и перлита, получил название ледебурит перлитовый (ЛП). В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита является причиной его большой твёрдости (НВ ≥ 600) и хрупкости.
5 .Контрольные вопросы и задачи
Сколько критических точек имеется на кривой охлаждения чистого железа?
Что представляет собой критическая температура 768 0 С?
Охарактеризуйте тип кристаллической решётки α-Fe и γ-Fe.
При какой температуре происходит превращение γ-Fe в α-Fe?
В каких координатах строится диаграмма «Fe – Fe3C»?
В чём заключается эвтектическое превращение в железоуглеродистых сплавах?
В чём заключается эвтектоидное превращениев железоуглеродистых сплавах?
При каких температурах происходит ‘эвтектическое и эвтектоидное превращения в сплавах железа с углеродом?
Перечислите и охарактеризуйте структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.
Охарактеризуйте фазы железоуглеродистых сплавов.
Дайте определение сталям, чугунам и белым чугунам.
Как классифицируют стали и чугуны по микроструктуре?
Какова структура доэвтектоидных,эвтектоидных и заэвтектоидных сталей при комнатной температуре?
Какова структура доэвтектических, эвтектических и заэвтектических белых чугунов при комнатной температуре?
Что характеризует температурные точки Е, Р и Q?
Каков физический смысл линий GS и GP цементитной диаграммы?
Каков физический смысл линий ES и PQ цементитной диаграммы?
Нарисуйте область сталей цементитной диаграммы и распределите структурные составляющие.
Нарисуйте область белых чугунов цементитной диаграммы и распределите фазы.
Что представляет собой линия ACD и каков физический смысл фазовых превращений на этой температурной линии?
Что представляет собой линия AECF и каков физический смысл фазовых превращений на этой температурной линии?
Что представляет собой линия PSK и каков физический смысл фазовых превращений на этой температурной линии?
Что представляет собой линия перлитовых превращений?
Что представляют собой линии ликвидуса и солидуса цементитной диаграммы?
Какое превращение происходит на линии ECF?
Какие фазы образуют эвтектику и эвтектоид?
Какие превращения начинаются на линиях GS и SE и где они заканчиваются?
Какое превращение происходит на линии PSK?
В какой области цементитной диаграммы выделяется первичный, вторичный и третичный цементит?
Какие превращения происходят при охлаждении сплавов,
содержащих 0,5; 0,8 и 1,5% углерода?.
Сколько углерода содержится в феррите при комнатной температуре?
Какова предельная растворимость углерода в α-Fe и в γ-Fe?
Сколько углерода может содержаться в аустените при 727 0 С?.
Что является продуктом распада аустенита?
Как называется эвтектика железоуглеродистых сплавов и каково в ней содержание углерода?
Что представляет собой цементит?
Дайте определение ферриту, аустениту и цементиту.
Дайте определение перлиту и ледебуриту.
Сколько углерода содержится в цементите и ледебурите?
Какие из фаз железоуглеродистых сплавов являются твёрдыми растворами?
Назовите структурные составляющие и фазы доэвтектичесих, эвтектических и заэвтектических белых чугунов.
Перечислите компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.
При какой температуре и в сплавах какого состава происходит эвтектическое превращение?
При какой температуре и в сплавах какого состава происходит эвтектоидное превращение?
Дайте определение линиям ликвидуса и солидуса?
Что такое феррит? Чем отличается он от α-модификации железа?
Что такое аустенит? Чем он отличается от γ-модификации железа?
Укажите содержание углерода в феррите, аустените и цементите.
По какой линии диаграммы « железо – цементит» происходит распад аустенита ( для любого сплава) на ферритно-цементитную смесь (перлит)?
Какие структурные превращения происходят в сплавах , содержащих 0,4% и 1,2% углерода при медленном охлаждении из расплавленного состояния?
Какие структурные превращения происходят в сплавах , содержащих 3% и 5% углерода при медленном охлаждении из расплавленного состояния?
Какие структурные превращения происходят в сплавах , содержащих 0,4% и 1,2% углерода при медленном охлаждении из расплавленного состояния?
Какие структуры имеют при комнатной температуре доэвтектоидная, эвтектоидная и заэвтектоидная стали?Пользуясь диаграммой «железо – цементит», определите температуры плавления и температуры полиморфных превращений для сплавов ,содержащих 0,2%, 1%, 3,% и 4,7% углерода?
Список литературы
Шейкин А.Е. Строительные материалы: Учебник для вузов.– М.: Стройиздат, 1978. – 432 с.
Гуляев А.П. Металловедение:Учебник для вузов.– М.: Металлургия, 1977. – 647 с.
Мозберг Р.К. Материаловедение: Учебное пособие.– Талин: Изд-во «Валгус», 1976. – 554 с.
Основы материаловедения: Учебник для вузов. – Под ред. Сидорина И.И..– М.: Машиностроение, 1976. – 436 с.
Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1983 – 360 с
.
Технология металлов и сварка: Учебник для вузов. – Под общ. ред. Полухина И.И. – М.: Высшая школа, 1977. – 464 с.
Аустенит в сталях
Наличие аустенита в стальных сплавах придает им определенные свойства. Детали и узлы, произведенные из подобных сталей, предназначаются для работы в средах, содержащие агрессивные компоненты, например, на предприятиях, перерабатывающих разные кислоты.
Стали этого класса отличаются высоким уровнем легирования, во время кристаллизации формируется гранецентрированная решетка. Такая структура не подвержена изменению даже под воздействием глубокого холода.
Стали этого типа можно разделить на два типа отличающиеся друг от друга составом. В первых, содержатся такие вещества как железо, никель, хром. При этом общее количество добавок не может превышать 55%. Ко второй группе относят никелевые и железоникелевые композиции. В никелевых композициях, его содержание превышает 55%. В железоникелевых составах соотношение никеля и железа составляет 1:5, а количество никеля начинается от 65%.
Такое количество никеля обеспечивает повышенную пластичность, а хром, в свою очередь обеспечивает высокую коррозионную стойкость и жаропрочность. Применение других легирующих материалов позволяет выплавлять сплавы с уникальными эксплуатационными свойствами. Металлурги, составляя рецептуру сплавов, руководствуются будущим назначением сталей.
Для получения легированный сталей применяют ферритизаторы, которые придают постоянство аустенитам, к таким веществам относят ниобий, кремний и некоторые другие. Кроме них применяют углерод, марганец – их называют аустенизаторами.
Диаграмма состояния железо-углерод
Двойная диаграмма состояния железо-углерод, которая объединяет оба варианта – стабильный и метастабильный — показана на рисунке. Пунктирные линии относятся к стабильной диаграмме железо-углерод, сплошные – обозначают метастабильную диаграмму железо-цементит. Заметим, что «разногласия» между двумя диаграммами – стабильной и нестабильно возникают только по тем линиям, где выделяется фаза, обогащенная углеродом: сам углерод в виде графита или богатый углеродом цементит.
Рисунок — Диаграмма состояния железо-углерод
Цементит: формы существования
Так называют соединение углерода и железа. Это компонент чугуна и некоторых сталей. В него входит 6,67% углерода.
В его кристалл входит несколько октаэдров, они расположены друг по отношению к другу с некоторым углом. Внутри каждого из них расположен атом углерода. В результате такого построения получается следующая картина – один атом вступает в связь с несколькими атомами железа, а железо в свою очередь связано с тремя атомами этого элемента.
Кристаллическая решетка цементита
У этого вещества имеются все свойства, которые присущи металлам – электропроводность, своеобразным блеском, высокая теплопроводность. То есть, смесь железа и углерода, ведет себя как металл. Этот материал обладает определенной хрупкостью. Большая часть его свойств определена сложным строением кристаллической решетки.
Этот материал плавится при 1600 градусах Цельсия. Но на этот счет существует несколько мнений, одни исследователи считают, что его температура плавления лежит в диапазоне от 1200 до 1450, другие определяют, что верхний уровень равен 1300 °С.
Первичный цементит
Металлурги разделяют три типа этого вещества – первичный, вторичный, третичный.
Первичный, получается из жидкости при закалке сплавов, которые содержат в себе 5,5% углерода. Первичный имеет форму в виде крупных пластин.
Вторичный
Этот элемент получается из аустенита при охлаждении последнего. На диаграмме этот процесс этот процесс можно видеть по диаграмме Fe – C. Цементит представлен в виде сетки, размещенной по границам зерен.
Третичный
Этот тип, является производным от феррита. Он имеет форму иголок.
В металлургии существуют и другие формы цементита, например, цементит Стеда и пр.
Другие структурные составляющие в системе железо углерод
Перлит
Перлит – это механическая смесь, которая состоит из феррита и цементита. Ледебурит представляет собой переменный раствор.
При температуре от 1130 и до 723 °С в его состав входят аустенит и цементит. При более низких температурах он состоит из аустенит заменяет феррит.
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.
