Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Московский государственный университет
путей сообщения
Императора Николая II»
______________________________________________________
Кафедра «Строительные материалы и технологии»
Диаграмма состояния
«железо – цементит»
Учебное пособие
Москва – 2016
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Московский государственный университет
путей сообщения
Императора Николая II»
___________________________________________________
Кафедра «Строительные материалы и технологии»
Диаграмма состояния
«железо – цементит»
Учебное пособие для студентов
специальностей СЖД, СТП, СМТ и СГС
Москва – 2016
УДК 669.1
П-18
Парфенов состояния «железо – цементит»: Учебное пособие. –М.: МГУПС (МИИТ), 2016. – 31 с.
В учебном пособии подробно рассматривается важнейшая диаграмма состояния фазового равновесия железоуглеродистых сплавов – диаграмма системы «железо – цементит», описаны фазы и структурные составляющие, исследуется природа превращений
в углеродистых сталях и белых чугунах при охлаждении, характеризуется физический смысл температурных точек и линий цементитной диаграммы. Студенты выполняют экспериментальное построение диаграммы и работают с ней при решении практических задач.
Учебное пособие предназначено студентам строительных специальностей (СЖД, СТП, МТ и СГС) для изучения раздела «Металлические материалы в строительстве» и разработано в соответствии с планом и программой учебной дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».
Рецензенты : доктор технических наук, профессор
(МГУ им. );
доктор технических наук, профессор
(МГУПС (МИИТ).
© МГУПС (МИИТ), 2016
Содержание
Введение…………………………………………………………...4
Компоненты, структурные составляющие и фазыжелезоуглеродистых сплавов ……………………….6 Общая характеристика диаграммы состояния
«железо – цементит»…………………………………….12 Структура сталей в равновесном состоянии……...... 17 Структура белых чугунов…………………………....... 21 Контрольные вопросы и задачи……………………… 24
Список литературы…………………………………………….. 31
3
Введение
Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма «железо-углерод» (Fe – C).
Это объясняется тем, что сплавы на основе железа и в первую очередь железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны, являются важнейшими материалами современной техники, широко применяемыми для транспортного строительства.
Диаграмма «железо–углерод» дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов. Изучив диаграмму студенты приобретают навыки анализа фазового и структурного составов железоуглеродистых сплавов, характера взаимодействия компонентов в твёрдом состоянии и последовательности фазовых превращений в сталях и чугунах.
Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе «железо – карбид железа»(Fe – Fe3C), и стабильная, характеризующая превращения в системе «железо – графит».
Для сталей превращения при кристаллизации совершаются в соответствии с метастабильной диаграммой. В чугунах превращения при первичной кристаллизации часто идут по стабильной диаграмме, а при дальнейшем охлаждении в твёрдом состоянии – по метастабильной.
Диаграмма состояния «железо – карбид железа» имеет главное значение, так как для большинства сплавов превращения реализуются по этой диаграмме.
4
Поскольку карбид железа представляет собой цементит (Fe3C), то метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют цементитной диаграммой, т. е. диаграммой состояния системы «железо – цементит» (Fe – Fe3C).
Цементитная диаграмма является основой для выбора режимов термической обработки сталей и чугунов. Поэтому при изучении её необходимо не только запомнить как выглядит эта диаграмма, но глубоко понять сущность всех превращений, которые происходят при нагреве и охлаждении сплавов железа с углеродом разного состава и характеризуются этой диаграммой.
Начало изучения диаграммы состояния сплавов «железо-углерод» было положено в 1868 году – русским учёным в области металлургии и металловедения в результате открытия критических точек в стали.
Дмитрий Константинович Чернов (1839-1921) впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их от содержания углерода. Другими словами, он дал первое представление о диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов.
открыл критические температуры, при которых в стали в результате её нагревания или охлаждения в твёрдом состоянии происходят фазовые превращения, существенно изменяющие структуру и свойства металла. Эти критические температуры, определённые им по цветам каления стали были названы точками Чернова.
5
Он графически изобразил влияние углерода на положение критических точек, создав первый набросок очертания важнейших линий диаграммы состояния «железо – углерод».
В 1879 году исследователи Розебум (Голландия) и. Аустен (Англия) представили первый вариант диаграммы. По мере совершенствования методов исследования уточнялась диаграмма
и к началу 20-х годов прошлого столетия она приобрела вид, близкий к современному. Уточнение диаграммы продолжается и в настоящее время.
и фазы железоуглеродистых сплавов
Компоненты сплава – это простые вещества из которых образован сплав. Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод.
Железо – металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус,127 нм. Температура плавления железа 15390С.
Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe.
Техническое железо (железо технической чистоты) – это сплав с общим количеством примесей до 0,2% и содержанием углерода до 0,02%.
Механические свойства железа технической чистоты: предел прочности при растяжении (временное сопротивление
6
разрыву) ув = 25 кгс/мм2 (250 МПа), предел текучести
утек = 12 кгс/мм2 (12МПа), твёрдость по Бринеллю НВ 60, относительное удлинение д = 50%, относительное сужение ш = 86%, удельная ударная вязкость(сопротивление динамическим нагрузкам) бн = 30 кгм/см2.
Железо является полиморфным металлом. Оно известно
в двух полиморфных модификациях: в виде б – модификации железа (б-Fe) и г – модификации железа (г-Fe).
Полиморфизм – это наличие разного кристаллического строения веществ при различных температурах.
На кривой охлаждения железа (рис.1) четыре критические точки (температуры): 15390С, 13920С, 9100С, 7680С.
б – модификация железа существует ниже 9100С и выше 13920С. Для интервала температур (1392 – 1539)0С б-Fe нередко обозначают как д-Fe, хотя фактически оно представляет собой высокотемпературную модификацию б-Fe. Она имеет объёмноцентрированную кубическую решётку (ОЦК). Выше температуры 7680С, которая называется точкой Кюри, железо парамагнитно, т. е оно теряет свои магнитные свойства.
г – модификация железа существует в интервале температур (1392 – 910)0С, имеет гранецентрированную кристаллическую решётку (ГЦК).
Со многими элементами железо образует твёрдые растворы. С элементами, имеющими атомные радиусы близкие к атомному радиусу железа, образуются твёрдые растворы
7
замещения. С углеродом, водородом и азотом образует твёрдые растворы внедрения.
Максимальное содержание углерода в г-Fe – 2.14% при температуре 11470С.
Рис. 1. Кривая охлаждения чистого железа
8
Максимальная растворимость углерода в б-Fe – 0,02% при температуре 7270С При комнатной температуре она составляет всего 0,006%.
С некоторыми элементами железо образует химические соединения, в частности, с углеродом – цементит (карбид железа Fe3C).
Углерод (С) – неметаллический элемент имеет три аллотропические модификации: уголь, графит и алмаз.
Аллотропия – это существование одного элемента в двух или нескольких видах. Например, аллотропическими модификациями кислорода являются кислород и озон.
Различают структуру и фазовый состав сплавов. Структура – это совокупность её структурных составляющих. Фазовый состав означает – из каких фаз состоит сплав.
Фазой называют однородную часть системы, ограниченную от другой части системы поверхностью раздела, при переходе через которую состав и свойства сплава меняются скачкообразно.
Структурными составляющими железоуглеродистых сплавов являются: феррит (Ф) , аустенит (А), цементит (Ц), перлит (П)и ледебурит (Л)(таблица1). В скобках показано как для краткости принято обозначать структурные составляющие.
Простые структурные составляющие – феррит, аустенит
9
и цементит – одновременно являются и фазами железоуглеродистых сплавов.
Феррит (Ф) – это твёрдый раствор внедрения углерода
в б-модификации железа. Он имеет ОЦК-кристаллическую решётку, растворимость в которой мала. Предельная концентрация углерода в феррите составляет 0,02% при температуре 7270С, а при комнатной температуре – 0,006%. Столь низкая растворимость углерода в б-Fe обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК - решётке. Феррит, кроме углерода, растворяет и другие элементы. Металлы, которыми легируют сплавы железа или которые находятся в них в виде примесей, образуют твёрдые растворы замещения.
Таблица 1. Механические свойства структурных составляющих
Структурная составляю-щая | Твёрдость | Прочность | Относитель-ное удлинение | Удельная ударная вязкость |
Железо | 60 | 25 (250) | 50 | 30 |
Феррит | 80 | 30 (300) | 40 | 25 |
Перлит | 180 | 85-100 | 6-10 | 2-4 |
Цементит | 800 | 120 (1200) | 0 | 0 |
Аустенит | 250 | 180 (1800) | 45 | 40 |
10
Аустенит (А) – твёрдый раствор внедрения углерода в г-Fe. Имеет ГЦК-pешётку. Максимальная растворимость в нём углерода составляет 2,14% при температуре 11470С, при 7270С – 0,8%. Аустенит пластичен, но более прочен, чем феррит. Назван в честь английского учёного Р. Аустена.
Цементит (Ц) – сложная структурная составляющая, химическое соединение, карбид железа Fe3C, с содержанием углерода 6,67%. Имеет сложную ромбическую решётку. Цементит очень твёрд (НВ800) и хрупок (бн = 0).При высоких температурах цементит неустойчив и разлагается на графит и аустенит, поэтому температура плавления цементита точно не определена и принимается равной 16000С.
Цементит имеет постоянный химический состав. При охлаждении меняются лишь форма и размер его кристаллов, что отражается на свойствах сплавов. Наиболее крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется из жидкости при первичной кристаллизацию. Такой цементит называют первичным. Цементит, выделяющийся из аустенита, – вторичным; цементит, выделяющийся из феррита, – третичным. Соответственно, линия CD на диаграмме называется линией первичного цементита, ES – линией вторичного цементита, PQ – линией третичного цементита.
Перлит (П) – сложная структурная составляющая, продукт распада аустенита с содержанием углерода 0,8%, представляющая собой дисперсную эвтектоидную смесь кристаллов феррита и цементита
11
.
Перлит образуется при температуре 7270С в результате эвтектоидного превращения во всех железоуглеродистых сплавах ( в сталях и белых чугунах).
Ледебурит (Л) – сложная структурная составляющая, эвтектическая смесь кристаллов аустенита и цементита с содержанием углерода 4,3%. Ледебурит образуется при температуре 11470С только в белых чугунах в результате превращения жидкого сплава в эвтектику. Названа структура в честь немецкого учёного А. Ледебура.
Общая характеристика диаграммы состояния «железо – цементит»Цементитная диаграмма является диаграммой третьего типа.
К третьему типу относят диаграммы состояния сплавов, компоненты которых неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии и ограниченно растворяются в твёрдом состоянии. Именно такими свойствами обладает система «железо углерод». В твёрдом состоянии углерод ограниченно растворяется в б-Fe (максимально 0,02%) и в г-Fe (не более 2,14%).
Диаграмма состояния Fe – Fe3C (рис.2 и 3) характеризует фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита. Сложный вид диаграммы объясняется тем, что железо обладает полиморфными превращениями в твердом состоянии.
12
Диаграмма строится в координатах температура (вертикальная ось) – концентрация углерода и цементита (горизонтальная ось).
Особенность диаграммы – наличие на горизонтальной оси концентрации двух шкал, показывающих количество углерода и цементита. Однако, иногда на горизонтальной оси откладывают только содержание углерода.
На диаграмме представлены две основные составные части: область сталей– (0,02 – 2,14)% углерода и область белых чугунов – (2,14 – 6,67)% углерода. Сплавы, содержащие менее 0,02%углерода представляют собой техническое железо.
При охлаждения железоуглеродистых сплавов в них происходят два важнейших превращения: эвтектическое и эвтектоидное.
При температуре 11470С (линия ECF) в сплавах с концентрацией углерода (2,14 – 6,67)% происходит эвтектическое превращение. В процессе превращения жидкий раствор (Ж) затвердевает в виде механической смеси кристаллов аустенита и цементита, которая называется ледебуритом.
При 11470 С, Ж С=4,3% → эвтектика (А С=2,14% +Ц С=6,67%)
Во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при температуре 7270С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на дисперсную механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита, которая называется перлитом.
13
Рис.2. Диаграмма состояния Fe – Fe3C
(с распределением структурных составляющих)
При 7270 С, А С=0,8% → эвтектоид (Ф С=0,02% + Ц С=6,67%)
Линии диаграммы состояния Fe – Fe3C, определяющие процесс кристаллизации, имеют следующие обозначения и физический смысл.
14
Линия ACD (линия «ликвидус») – это геометрическое место верхних критических точек (температур) начала затвердевания сплавов. Выше линии ликвидуса все сплавы находятся в жидком состоянии.
Линия AECF (линия «солидус») – геометрическое место нижних критических точек конца затвердевания сплавов. Ниже линии солидуса все сплавы системы находятся в твёрдом состоянии.
Рис.3 Упрощённая диаграмма состояния Fe – Fe3C
(с распределением фаз)
Затвердевание сталей происходит в интервале температур, ограниченных линией ликвидуса AC и линией солидуса AE. При этом из жидкости кристаллизуется аустенит.
15
Затвердевание доэвтектических чугунов, содержащих от 2,14 до 4,13% углерода, начинается ниже линии ликвидуса АС
с кристаллизации аустенита. По мере кристаллизации аустенита жидкий раствор обогащается углеродом и при температуре 11470С, когда концентрация углерода в жидком сплаве достигнет 4,3%, затвердевание доэвтектических чугунов заканчивается на прямолинейном участке линии солидуса ЕС одновременной кристаллизацией аустенита и цементита с образованием ледебурита.
Чугун, содержащий 4,3% углерода, затвердевает при постоянной температуре 11470С с образованием эвтектики, состоящей из предельно насыщенного углеродом аустенита (2,14%) и цементита. Такой чугун называется эвтектическим.
Затвердевание заэвтектических чугунов, содержащих от 4,3 до 6,67% углерода, начинается на линии ликвидуса CD кристаллизацией из жидкого сплава тонких пластинчатых кристаллов первичного цемента. При этом с понижением температуры состав жидкости меняется – уменьшается содержание углерода по линии ликвидуса DC. При температуре 11470С концентрация углерода в жидком сплаве достигнет 4,3% и он затвердевает с образованием эвтектики – ледебурита.
Дальнейшие превращения в железоуглеродистых сплавах ниже линии солидуса AECF, т. е. когда сплавы находятся в твёрдом состоянии обусловлены полиморфизмом железа и изменением растворимости углерода в г-Fe и б-Fe при понижении температуры.
16
Структура сталей в равновесном состоянииСталями называют железоглеродистые стали с содержанием углерода до 2.14% (рис.4).
Равновесными считают структуры, образующиеся в результате очень медленного охлаждения (например, при охлаждении сплава вместе с печью, т. е. со скоростью. 100-2000С в час).
По микроструктуре стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные (рис.5 и 6).
Доэвтектоидные – это стали с содержанием углерода до 0,8%. Они имеют ферритно-перлитовую структуру.
Эвтектоидные сплавы имеют перлитовую структуру и содержат 0,8% углерода.
Заэвтектоидными называют стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%. Их структура: перлит + вторичный цементит.
Все точки и линии диаграммы в области сталей имеют следующие обозначения и физический смысл.
Линия GS – геометрическое место критических точек начала образования феррита вследствие перекристаллизации г-Fe в б-Fe
Линия GP характеризует температур конца превращения аустенита в феррит.
17
Рис. 4. Область сталей цементитной диаграммы
с распределением фаз (а) и структурных составляющих (б)
18
«а» «б»
«в» «г»
Рис. 5.Микроструктура стали ( увеличение 600 х); а– техническое железо; б – доэвтектоидная сталь (0,35% С); в – эвтектоидная сталь (0,8% С); г – заэвтектоидная сталь (1,2% С)
Линия PSK – линия перлитовых превращений, представляющая собой геометрическое место точек распада аустенита с образованием перлита.
19
Точка E показывает максимально возможное содержание углерода в г-Fe.
Линия SE характеризует предельную растворимость углерода в аустените в зависимости от температуры.
Точка Р показывает максимально возможное содержание углерода в б-Fe.
Точка Q показывает содержание углерода в б-Fe при комнатной температуре.
Линия PQ характеризует предельную растворимость углерода в феррите в зависимости от температуры.
В соответствии с линиями GS и GP изменяется состав аустенита и феррита при изменении температуры сплава (рис. 7).
Рис.6 Микроструктура углеродистых сталей: а) доэвтектоидная;
б) эвтектоидная (пластинчатый перлит); в) эвтектоидная (зернистый перлит); г) заэвтектоидная.
20
Рис.7. Часть диаграммы состояния Fe – Fe3C для сплавов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное превращение
Структура белых чугуновЧугунами называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67%.
Белыми (передельными) называют чугуны, в которых углерод практически полностью находится в виде цементита. Своё название этот чугун получил по цвету его излома (рис.8).
По микроструктуре белые чугуны разделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические (рис.9).
21
Доэвтектическими называют чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%. Их структура: перлит + цементит + ледебурит перлитовый.
Эвтектические – это чугуны, содержащие 4,3% углерода и состоящие из эвтектики – ледебурита перлитового.
Заэвтектические – чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67%. Их структура: ледебурит перлитовый + цементит первичный.
Рис.9 Микроструктура белых чугунов: а) доэвтектический;
б) эвтектический (ледебурит) в) заэвтектический
При температуре 11470 С (линия солидуса ECF) жидкая составляющая всех чугунов кристаллизуется с образованием эвтектики (ледебурита).При этой температуре структура чугунов следующая: доэвтектического – аустенит + ледебурит; эвтектического – ледебурит; заэвтектического – ледебурит + цементит первичный.
22
При дальнейшем понижении температуры в интервале
(1147 – 727)0С доэвтектические чугуны имеют структуру: аустенит + цементит вторичный + ледебурит.
Рис.8. Часть диаграммы Fe – Fe3C с распределением фаз
(область белых чугунов)
23
Появление вторичного цементита обусловлено его выделением из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в г-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 7270 С аустенит, содержащий 0,8% углерода, распадается и образуется перлит.
Поэтому ниже 7270 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 7680С?24
Охарактеризуйте тип кристаллической решётки б-Fe и г-Fe. При какой температуре происходит превращение г-Fe в б-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?25
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?26
27
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 б-Fe и в г-Fe? Сколько углерода может содержаться в аустените при 7270С?. 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?
28
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 б-модификации железа? Что такое аустенит? Чем он отличается от г-модификации железа? Укажите содержание углерода в феррите, аустените и цементите.
29
30
Список литературы
Шейкин материалы: Учебник для вузов.– М.: Стройиздат, 1978. – 432 с.
Гуляев :Учебник для вузов.– М.: Металлургия, 1977. – 647 с.
Мозберг : Учебное пособие.– Талин: Изд-во «Валгус», 1976. – 554 с.
Основы материаловедения: Учебник для вузов. – Под ред. .– М.: Машиностроение, 1976. – 436 с.
Лахтин и термическая обработка металлов: Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1983 – 360 с
. Технология металлов и сварка: Учебник для вузов. – Под общ. ред. – М.: Высшая школа, 1977. – 464 с.
31
Св. план 2016 г., поз.55
Диаграмма состояния «железо – цементит»
Учебное пособие
Подписано к печати– Усл.-печ.
Формат 60х84х1/16
Тираж 150 экз. Заказ №
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
