Лабораторая работа №5

«Диаграмма состояния сплавов системы железо-углерод»

Цель работы:

- изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов;

- анализ превращений, происходящих в сплавах при охлаждениях и нагревах;

- определение фазового и структурного состояния сплавов в зависимости от их состава и температуры.

1. Структуры железоуглеродистых сплавов

Железоуглеродистые сплавы – техническое железо, стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Их производство по объему превосходит производство всех других металлов, вместе взятых, более чем в десять раз.

Диаграмма состояния железо – углерод является научной основой технологии черных металлов и дает основное представление о строении важнейших железоуглеродистых сплавов – технического железа, сталей и чугунов.

Структура сплава определяет его свойства. Важно знать, какие фазы и структуры формируются в сплавах в зависимости от их состава и температуры. Необходимо уметь управлять процессом структурообразования для обеспечения эксплуатационных свойств сплавов.

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод.

Железо образует с углеродом кинетически устойчивое химическое соединение: цементит – Fe₃C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 5%, то рассматривают часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего 6,67% углерода. Диаграмма состояния железо – цементит представлена на рис. 1.

2. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо – переходный металл светло-серебристого цвета. Имеет высокую температуру плавления, равную 1539^o ± 5^o С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911^oС и 1392^oС. При температуре ниже 911^oС железо имеет объемноцентрированную кубическую решетку (α–Fe). В интервале температур 911…1392^oС устойчивым является железо с гранецентрированной кубической решеткой (γ-Fe). Выше 1392^oС железо вновь обретает объемноцентрированную кубическую решетку. Высокотемпературная модификация (именуемая δ-Fe) не представляет собой новой аллотропической формы. Кристаллические решетки железа представлены на рис. 2.

При температуре ниже 768^oС железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа, равная 768^oС, обозначается А₂. Это фазовый переход второго рода.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ по Бринеллю) и прочностью, но высокими характеристиками

Рис. 1. Диаграмма состояния железо - цементит

пластичности. Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо со многими элементами образует твердые растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Рис. 2. Кристаллическая структура железа:

а – гранецентрированная кубическая (ГЦК) ячейка

б – обьемоцентрированная кубическая (ОЦК) ячейка

2. Углерод относится к неметаллам.

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом, в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Структура графита слоистая. Он имеет очень низкую прочность, высокие тепло- и электропроводность, малый коэффициент трения. Под действием небольших внешних усилий он расслаивается. Температура плавления 3850 ^oС.

3. Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Аллотропических превращений не испытывает.

При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^oС. Температура плавления 1250 ^oС.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

Цементит – соединение неустойчивое (метастабильное) и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

На рис. 3 представлена кристаллическая решетка цементита.

Рис. 3. Элементарная ячейка кристаллической структуры цементита

- атомы железа, - атомы углерода

В системе железо – углерод существуют следующие фазы:

1. жидкая фаза,

2. твердый раствор углерода в α-Fe – феррит (в случае δ-Fe – высокотемпературный феррит Ф_δ),

3. твердый раствор углерода в γ-Fe – аустенит,

4. химическое соединение – цементит.

Характеристика фаз системы железо – углерод представлена в табл. 1.

3. Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов

Каждая точка диаграммы состояния системы железо-цементит характеризует определённый состав сплава при соответствующей температуре (табл.2).

Превращения в сплавах системы Fe–Fe₃С происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кри­сталлизация идет в интервале температур, ограниченных линией ли­квидуса (ABCD) и солидуса (AHJECF) (рис.1).

Линия АВСD – ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита высокотемпературного, на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.

Линия AHJECF – солидус, ниже температур, соответствующих этой линии, система находится в твердом состоянии.

Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа из одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в

Таблица 1

Фазы системы железо-углерод

Фаза	Характеристика	Структура
Жидкая фаза	В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.	-
Феррит (Ф) -твердый раствор внедрения углерода в железо с решеткой ОЦК.	Феррит имеет переменную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре, максимальную – 0,02 % при температуре 727oС (точка P рис.1). Углерод располагается в дефектах решетки. При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит Фδ с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499oС (точка J рис.1). Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок и пластичен, магнитен до 768o С.
Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в железо с решеткой ГЦК.	Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8% при 7270С, максимальную – 2,14% при 11470С. Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен, парамагнитен.
Цементит	Характеристика представлена выше.

Таблица 2

Характерные точки диаграммы состояния Fe - Fe₃C

Обозначение точки	Температура, °С	Концентрация углерода, %	Определение точки
А			Температура плавления железа
B		0,51	Состав жидкой фазы при перитектической реакции
C		4,3	Состав эвтектики ледебурита
H		0,1	Состав феррита при перитектической реакции
J		0,16	Состав аустенита при перитектической реакции
N			Полиморфное превращение Feα ↔ Feγ
E		2,14	Предельная растворимость углерода в Feγ
D		6,67	Температура плавления цементита в Fe3C
G			Полиморфное превращение Feγ ↔ Feα
P		0,025	Предельная растворимость углерода в Feα
S		0,8	Состав эвтектоида - перлита
Q		0,006	Минимальная растворимость углерода в Feα

Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите, соответственно. Выделяющийся из жидкости цементит называют первичным, из аустенита – вторичным, из феррита – третичным. Соответственно на диаграмме состояния CD – линия первичного цементита, ES – линия вторичного цементита; PQ – линия третичного цементита. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений.

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен. Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.