На головну

 Кристалічна будова металів. |  Поліморфні (аллотропические) перетворення |  явище анізотропії |  Будова реальних кристалів металів і вплив дефектів кристалічної будови на міцність металів |  процес кристалізації |  Криві охолодження аморфних і кристалічних тіл |  Залежність розмірів кристалів від ступеня переохолодження та інших факторів |  Компоненти і їх фази в сплавах |  Бінарна фазову діаграму з евтектичним перетворенням |  Закони Н. С. Курнакова і їх практичні використання |

Властивості і будова структурних складових залізовуглецевих сплавів

  1.  I. Органічна будова народів, що живуть поблизу Північного полюса
  2.  I. Органічна будова привертає людини до здатності розуму
  3.  I. Порівняння органічної будови рослин і тварин у зв'язку з будовою людини
  4.  I. Будова і властивості металів.
  5.  II. Жири (ацілгліцероли). Їх структура, класифікація і властивості
  6.  II. Органічна будова народів, що живуть неподалік гірських хребтів Азії
  7.  III. Аналітичне побудова динамічної лінійної моделі.

Відповідно до раніше даними визначеннями фазової та структурної складових системи, в системі залізо-вуглець до фазовим складових належать: рідкий розчин (L), тверді розчини: ферит (?), аустеніт (?), високотемпературний ферит (?), а також цементит і графіт (Г).

Рідкий розчин в системі залізо-вуглець є розчином вуглецю в розплавленому залізі. При температурах значно вище лінії ликвидус (переважно вище 1700?С) рідина є статистично неврегульованим розчином зі статистично щільною упаковкою. При невеликому перегрів вище лінії ликвидус рідкий розчин має порівняно регулярне будова. Рідкий розчин, що утворився при плавленіі?-фериту (до 0,51% вуглецю), зберігає ближній порядок по ОЦК-решетке?-заліза. Рідкий розчин, що утворюється при плавленні аустеніту, має ближній порядок, відповідний ГЦК-решетке? -заліза.

Ферріт- це твердий розчин впровадження вуглецю в?-залозі. Решітка ферріта- об'ємно-центрований куб з розташуванням атомів вуглецю в порівняно невеликих октаедричних пустотах решітки, сильно викривляє її. Розчинність вуглецю в фериті невелика.

при температуре727 ?З вферит растворяется0,02% С; при зниженні температури розчинність зменшується, досягаючи велічіни0,006% С при кімнатній температурі. Структура фериту являє собою порівняно рівноосні поліедріческіх кристали, розділені між собою тонкими високоугловимі межами. Виявляється зазвичай структура фериту при травленні розчинами азотної кислоти.

Ферит до температури точки Кюрі (770?С) сильно феромагніти, добре проводить тепло і електричний струм. У рівноважному стані ферит пластичний (відносне подовження близько 40%), має невелику міцність і твердість (HB = 65 - I30, в залежності від величини зерна).

Ферит, в залежності від характеру протікають фазових перетворень, в структурі залізовуглецевих сплавів може перебувати у вигляді різних структурних станів: ферит, як основа структури сплаву (Ф); ферит, як друга (надлишкова) фаза, що розташовується по межах перлитових колоній, у вигляді окремих включень равноосной або голчастою форми; ферит, що входить в якості фази до складу іншої структурної составляющей- перліту або ферито-графітного евтектоіда.

При температурах вище критичної точки А4 стабільної стає модифікація високотемпературного?-фериту, що має, як і нізкотемпературний?-ферит, об'ємно-центровану кубічну решітку, але з великими в порівнянні з ним параметрамі.? -ферріт парамагнитен.

Аустеніт- твердий розчин впровадження вуглецю в?-залозі. Решітка аустеніта- гранецентрированний куб (ГЦК). Атоми вуглецю розташовані в великих октаедричних пустотах решітки.

Розчинність вуглецю в аустеніт значно більше, ніж в фериті: 2,03 і 2,14% при температурах евтектичного перетворення, відповідно, в стабільній і метастабільною системі. При зниженні температури розчинність зменшується до 0,69 і 0,80% в згаданих системах, що відповідає температурам евтектоїдних перетворення в тій і іншій системах.

Аустеніт в структурі виявляється так само, як і ферит у вигляді порівняно рівноосних поліедров, але відрізняється від нього значною кількістю двійників в тілі зерна. Аустеніт -парамагнітная складова у всьому температурному інтервалі його існування. Аустеніт м'який, хоча твердіше фериту (HB = 200-250). Він пластичний (відносне удліненіе40-50% і вище). Перетворення фериту і ферито-цементитной суміші в аустеніт супроводжується зменшенням об'єму.

Структурний стан аустеніту (А) в залізовуглецевих сплавах аналогічно фериту: він може бути єдиною структурної складової в сплаві; складати основу сплаву; входити в нього, як залишковий аустеніт; міститися у вигляді фазової складової в складі більш складної структурної составляющей- евтектичною аустеніто-цементитной суміші (ледебуріта), що існує при температурах вище евтектоїдной лінії на діаграмі железо-вуглець.

Цементіт- метастабильное з'єднання заліза з вуглецем, відповідне формулою Fe3C. Цементит має складну орторомбические грати, основа якої є тригранну, злегка викривлену призму, утворену шістьма атомами заліза. Частина атомів заліза має 11 сусідніх атомів заліза, а частина - 12. Порожнечі заповнюються атомами вуглецю. У цьому структура цементиту близька за своєю будовою до структури аустеніту, а також до дуже ретельним гексагональної модіфікаціі? -заліза.

Цементіт- з'єднання практично постійного складу. Розчинність заліза в цементиті має місце, але її величина дуже мала, і практично незначущі. Цементит при підвищенні температури порівняно легко розкладається на залізо (аустеніт або ферит) і графіт. Це властивість цементиту лежить в основі явища графітизації, і використовується для отримання сірих і кування чавунів. Цементіт крихкий, дуже твердий (НВ около800), слабо магнітів до температури210?С. Вище цієї температури цементит парамагнитен.

Структурний стан цементиту визначається, в основному, типом перетворення, при якому він утворюється. Розрізняють первинний цементит (ЦI), Який представляє собою великі голки, що утворюються при кристалізації безпосередньо з рідини в заевтектичних білому чавуні. Вторинний цементит (ЦII) Виділяється в заевтектоідних сталях і доевтектичних чавунах, в основному, у вигляді сітки по межах зерен аустеніту, а також в ряді випадків у вигляді рівномірно розподілених за обсягом аустенітного зерна скоагульованого частинок або голок. Вторинний цементит - це надлишкова фаза в залізовуглецевих сплавах, що виділяється з аустеніту при охолодженні в результаті зменшення розчинності вуглецю в аустеніт при зниженні температури.

Виділення третинного цементиту (ЦIII) Характерно для технічного заліза і маловуглецевої сталі. Виділяється третинний цементит з фериту в результаті зменшення розчинності вуглецю в фериті з пониженням температури від 727?С до кімнатної температури. Третинний цементит в структурі заліза і маловуглецевої сталі в мікроструктурі спостерігається у вигляді тонких прожилок по межах зерен фериту. Такі виділення третинного цементиту охрупчиваются залізо і маловуглецеві стали. Тому такі сплави піддають термічній обробці з метою зміни структурного стану третинного цементиту. Бажане його положення в структурі сплаву - рівномірно розосереджені виділення в обсязі феритних зерен. Цього домагаються шляхом загартування і старіння.

Крім того, цементит як фазової складової входить до складу складних двофазних структурних складових в залізо-вуглецевих сплавах - перліту і ледебуріта. У цьому випадку такий цементит називають Евтектоїдних і евтектичним (Цэ), Відповідно.

Графіт- найважливіша фазова і структурна складова (Г) сірих, кування і високоміцних чавунів, яка обумовлює їх малу усадку при кристалізації, високі антифрикційні властивості, малу зношуваність, велике внутрішні тертя, що забезпечує зменшення вібрацій, і ряд інших корисних властивостей. Графіт- гексагональная модифікація вуглецю. При нормальному тиску графіт є стабільною складовою до температур близько 4000?С.

В решітці графіту атоми розташовані шарами з гексагональної симетрією. У першому і третьому шарах атоми розташовані один над одним. У другому (середньому) шарі атоми зміщені вздовж найбільшої діагоналі шестикутника на величину параметра решітки (довжину сторони шестикутника). Відстань між шарами (3,35 КХ) значно більше, ніж відстані між сусідніми атомами в гексагональном шарі. Через легкої рухливості слабо пов'язаних гексагональних верств графіт- найменш міцна фаза залізовуглецевих сплавів.

Графіт в структурі залізовуглецевих сплавів знаходиться або в вигляді надлишкової фази (в заевтектичних сірому чавуні), або в якості фазового складової, що входить до складу аустеніто-графитной евтектики. Графіт має форму розгалужених крабовидних включень. Евтектичних графіт відрізняється від первинного меншими розмірами і більшою розгалуженістю.

Після модифікування рідкого чавуну магнієм і деякими іншими елементами, а також після відпалу білого чавуну на ковкий, в структурі можна спостерігати глобулярний (пластівчастий або кулястий) графіт. Ця форма графіту забезпечує отримання підвищеної міцності і пластичності чавуну.

Всі описані фазові складові можуть одночасно бути і структурними складовими, якщо вони в структурі сплаву перебувають у вигляді надлишкових фаз або складають основу структури сплаву.

Кроме однофазних структурних складових в залізовуглецевих сплавах мають місце і складні двофазні: перліт, ледебурит, графито-аустенитная евтектика і ферито-графітний евтектоід.

Перліт- це евтектоїдна фізико-хімічна суміш двох фаз: фериту і цементиту, що утворилася в метастабільною системі залізо-вуглець за рахунок дифузійного розшарування аустеніту по евтектоїдной реакції. Перліт утворюється при переохолодженні аустеніту нижче лінії PSKдіаграмми залізо-вуглець. Будова перліту визначається величиною переохолодження, при якому відбувається розпад.

При малому переохолодженні (на 20-30 ?С нижче лінії евтектоїдних перетворення) утворюється зернистий перліт. Зернистий перліт є ферито-цементітную структуру, в якій основою є ферит, а за його обсягом статистично рівномірно розподілені зернисті, близькі до сферичним, включення цементиту.

При більшому переохолодженні утворюється структура пластинчастого перліту, що складається з регулярно чергуються пластин цементиту і фериту, причому, пластини фериту приблизно в 7раз товщі пластин цементиту.

Абсолютні значення товщини цементітних і феритних пластин, величина відстані між однойменними пластинами в складі евтектоїдной суміші, звана межпластіночним відстанню, і характеризує ступінь дисперсності структури, визначаються ступенем переохолодження аустеніту нижче рівноважної температури евтектоїдних реакції. Чим більше ступінь переохолодження, тим вище дисперсність ферріто-цементитной евтектоїдной суміші. Високодисперсні ферріто-цементітние суміші носять назви сорбіт і троостит. Троостит найбільш дисперсная ферріто-цементітная суміш.

Перліт присутній в структурі сталей і чавунів. Кількість перліту зростає в доевтектоїдних сталях зі збільшенням вмісту вуглецю от0,02 до 0,8%. Евтектоїдних сталь має чисто перлитную структуру (100% перліту).

Подальше збільшення вмісту вуглецю в стали, відповідне переходу до заевтектоідних сталей, а далі- до чавунів, супроводжується зменшенням частки перліту в структурі за рахунок появи і збільшення кількості вторинного, евтектичного і, нарешті, первинного цементиту.

Перліт в маловуглецевих сталях з'являється спочатку у вигляді окремих включень між зернами фериту, потім при збільшенні його кількості, він поступово займає в структурі все більше поле зору на поверхні шліфа. Поки перліту в структурі мало, будова його не виявляється при малих і середніх збільшеннях оптичного мікроскопа. У евтектоїдной і заевтектоідной сталях пластинчаста будова його виявляється вже при невеликих збільшеннях (Ч100 - 200). У структурі чавуну перліт знаходиться як у вигляді надлишкових колонійних структурних складових-продуктів розпаду надлишкового аустеніту, так і в складі ледебуріта. Механічні властивості перліту визначаються його структурним станом. Розрахунок за правилом адитивності твердості перліту, виходячи з відомих значень твердості фериту і цементиту, дає значенія150-180 НВ. Експериментально визначені значення твердості пластинчастого перліту, сорбіту та троостита відповідно рівні 170 - 230, 230 - 330 і 330- 400 НВ. Таким чином, можна бачити, що чим вище ступінь дисперсності ферито-цементитной суміші, тим вище його твердість.

Ледебуріт- евтектична фізико-хімічна суміш аустеніту і цементиту, що утворюється в результаті евтектичною кристалізації з рідини, содержащей4,3% вуглецю.

Ледебурит є колонійную структуру, основу якої складають пластини цементиту, пророслі розгалуженими кристалами аустеніту. Гілки аустеніту в складі ледебуріта розташовуються регулярно по всьому об'єму евтектичною цементитной пластини і має форму стрижнів приблизно циліндричної конфігурації. На шлифе колонія ледебуріта в залежності від напрямку поверхні шліфа щодо аустенітних гілок може виглядати або у вигляді «зернистої» суміші при поперечному перерізі колонії, або «пластинчастої» - при поздовжньому перерізі. При перетині колонії під кутом до площини базису цементиту, перетину аустенітних гілок в складі ледебуріта еліптичної конфігурації.

Крім колонійного (стільникового) ледебуріта евтектична суміш аустеніту і цементиту може зустрічатися у вигляді пластинчастої евтектики, що представляє собою пакет тонких цементітних пластинок, розділених аустенітом. Такі пакети утворені двома переплетеними кристалами цементиту і аустеніту. Ймовірність утворення пластинчастого ледебуріта збільшується зі зростанням ступеня переохолодження рідини при кристалізації. При цьому збільшується частка пластинчастого ледебуріта в структурі білого чавуну. Найчастіше пакет пластинчастого ледебуріта становить основу, на якій зароджується і зростає колонія стільникового ледебуріта.

При дуже великих швидкостях охолодження весь ледебурит може виявитися пластинчастим. В цьому випадку цементит розгалужується, набуваючи вигляду віялоподібних колоній. При ще великих швидкостях охолодження з'являються сферолітние колонії. Ледебурит, що складається з евтектичною суміші аустеніту і цементиту, стійкий в температурному інтервалі від евтектичною до евтектоїдной лінії на діаграмі залізо-вуглець. При зниженні температури нижче 727 ?С аустенит в складі ледебуріта зазнає евтектоїдна перетворення, в результаті чого при кімнатній температурі ледебурит являє собою евтектичну суміш перліту з цементитом. Будова перліту в Ледебур таке ж, як і в сплавах з меншим вмістом вуглецю (сталях).

Ледебурит, як і цементит, який утворює його основу, твердий, зносостійкий і має практично нульову пластичністю. Ці властивості ледебуріта лежать в основі використання такої структури в білих чавунах, які використовуються в якості одних з найбільш зносостійких матеріалів.

Аустеніто-графитная евтектика утворюється в стабільній системі залізо-вуглець і являє собою суміш кристалів графіту, що сформувалася при одночасному виділенні з рідини состава4,25% вуглецю обох фазових складових. При малих ступенях переохолодження графіт евтектики має, як і первинний графіт, розгалужену пластинчатую форму. Збільшення швидкості охолодження призводить до розщеплення графітних пластин і утворення сферичних кристалів. Евтектична аустеніто-графитная структура мало відрізняється від виділення первинних кристалів графіту. Головна відмінність цих структур полягає в розмірі графітних включень. Вони в евтектиці дрібніше первинних кристалів.

Феррито-графітний евтектоід-продукт евтектоїдного розпаду аустеніту, содержащего0,69% вуглецю, який реалізується в умовах дуже повільного охолодження при температурах нижче 738?С.

Феррито-графітний евтектоід -дісперсная суміш фериту, що становить основу структури сплаву, і дисперсних розгалужених або сферичних графітних частинок, розподілених в фериті статистично рівномірно. Однак в більшості випадків евтектоїдний графіт при розпаді аустеніту осідає на раніше утворених первинних і евтектичних графітних кристалах. Евтектоїдних перетворення з утворенням феррито-графтного евтектоіда використовується при термічній обробці чавунів і графітізірованной стали для отримання ферріто-графитной структури, що володіє хорошими антифрикційними властивостями при збереженні досить високої пластичності сплавів.

6. Діаграма стану залізовуглецевих сплавів.

Діаграма фазового рівноваги (діаграма стану) залізо-вуглець - графічне відображення фазового стану сплавів заліза з вуглецем в залежності від їх хімічного складу і температури.

Залізо утворює з вуглецем хімічну сполуку Fe3C цементит. Так як на практиці застосовують металеві сплави з вмістом вуглецю до 6,67%, то розглядаємо частину діаграми стану від заліза до цементиту. Оскільки цементит фаза метастабільна, то і відповідна діаграма називається метастабільною (суцільні лінії на малюнку). Для сірих чавунів і графітизованих сталей необхідно розглядати стабільну діаграму залізо-графіт (Fe-Гр), оскільки саме графіт є стабільною фазою. Цементит утворюється набагато швидше графіту і в багатьох сталях і білих чавунах може існувати досить довго. У сірих чавунах графіт існує обов'язково. На малюнку тонкими пунктирними лініями показані лінії стабільної рівноваги (тобто за участю графіту), там де вони відрізняються від ліній метастабильного рівноваги (за участю цементиту), а відповідні точки позначені штрихом. (Відзначимо, що позначення фаз і точок на цій діаграмі підкоряються мовчазної міжнародною угодою.)

В системі залізо - вуглець існують наступні фази: рідка фаза, ферит, аустеніт, цементит, графіт.

1. Рідка фаза. У рідкому стані залізо добре розчиняє вуглець в будь-яких пропорціях з утворенням однорідної рідкої фази.

2. Ферит - твердий розчин впровадження вуглецю в ?-залізі з ОЦК (об'ємно-центрованої кубічної) гратами.

Ферит має змінну граничну розчинність вуглецю: мінімальну - 0,006% при кімнатній температурі (точка Q), максимальну - 0,02% при температурі 727 ° C (точка P). Атоми вуглецю розташовується в центрі грані або (що крісталлогеометріческі еквівалентно) на середині ребер куба, а також в дефектах решітки.

При температурі вище тисячі триста дев'яносто дві ° C існує високотемпературний ферит, з граничною розчинністю вуглецю близько 0,1% при температурі близько 1500 ° C (точка I)

Властивості фериту близькі до властивостей чистого заліза. Він м'який (твердість - 130 НВ) і пластичний, магнітів (за відсутністю вуглецю) до 770 ° C.

3. Аустеніт (?) - твердий розчин впровадження вуглецю в ?-залозі з ГЦК (грані-центрованої кубічної) гратами.

Атоми вуглецю займають місце в центрі гранецентрованих кубічних осередки.

Гранична розчинність вуглецю в аустеніт - 2,14% при температурі 1147 ° C (точка Е).

Аустеніт має твердість 200-250 НВ, пластичний, парамагнитен.

При розчиненні інших елементів в аустените або в фериті змінюються властивості і температурні межі їх існування.

4. Цементит (Fe3C) - хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза), зі складною ромбічної гратами, містить 6,67% вуглецю. Він твердий (понад 1000 HВ), і дуже крихкий. Цементит фаза метастабільна і при тривалих нагріванні мимовільно розкладається з виділенням графіту.

У залізовуглецевих сплавах цементит як фаза може виділятися при різних умовах:

  • - Цементит первинний (виділяється з рідини),
  • - Цементит вторинний (виділяється з аустеніту),
  • - Цементит третинний (з фериту),
  • - Цементит евтектичних і
  • - Евтектоїдний цементит.

Цементит первинний виділяється з рідкої фази в вигляді великих пластинчастих кристалів. Цементит вторинний виділяється з аустеніту і розташовується у вигляді сітки навколо зерен аустеніту (після евтектоїдного перетворення вони стануть зернами перліту). Цементит третинний виділяється з фериту і у вигляді дрібних включень розташовується біля кордонів феритних зерен.

Евтектичних цементит спостерігається лише в білих чавунах. Евтектоїдний цементит має пластинчасту форму і є складовою частиною перліту.

Цементит може при спеціальному сфероідізіруюшем відпалі або загартуванню з високим відпусткою виділятися у вигляді дрібних сфероидов.

Вплив на механічні властивості сплавів надає форма, розмір, кількість і розташування включень цементиту, що дозволяє на практиці для кожного конкретного застосування сплаву домагатися оптимального поєднання твердості, міцності, стійкості до крихкого руйнування і т. П.

5. Графіт - фаза складається тільки з вуглецю з шаруватою гексагональної гратами. Щільність графіту (2,3) багато менше щільності всіх інших фаз (близько 7,5 - 7,8) і це ускладнює і уповільнює його освіту, що і призводить до виділення цементиту при більш швидкому охолодженні. Утворення графіту зменшує усадку при кристалізації, графіт виконує роль мастила при терті, зменшуючи знос, сприяє розсіюванню енергії вібрацій.

Графіт має форму великих крабовидних (вигнутих пластинчастих) включень (звичайний сірий чавун) або сфероидов (високо-випробувальний чавун).

Графіт обов'язково присутній в сірих чавунах і їх різновиди - високоміцних чавунах. Графіт присутній також і деяких марках стали - в графітизованих сталях.



 Поліморфні (аллотропические) перетворення заліза. |  Вплив вуглецю і постійних домішок на структуру і властивості стали.
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати