Метастабильная диаграмма железо углерод

Современную промышленность сложно представить без использования различного вида металлических сплавов, в том числе и стальных.

Разработкой их составов занимаются ученые – металлурги в разных странах, но для прогнозирования свойств будущих сплавов, большая часть специалистов руководствуется диаграммой железо – углерод.

Она дает четкое представление о том, как устроено большинство стальных сплавов и чугунов.

Диаграмма состояния

Диаграмма содержит в себе некоторое количество линий и критичных точек, обозначающих состояние расплава при определенном нагреве.

Классификация железоуглеродистых сплавов

Различные комбинации этих элементов приводят к получению большого количества сплавов, которые можно разделить на три большие группы:

1. Техническое железо.
2. Стали.
3. Чугуны.

Техническое железо

К техническому железу относят материалы, в которых содержится менее 0,02% углерода. К сталям относят, материалы, в которых углерод находится в пределах от 0,02 до 2,14%. И в группу чугунов входят материалы, количество углерода в которых превышает 2,14%.

Компоненты в системе железо углерод

Аустенит

Атомы размещается в гранецентрированной ячейке. Твердость аустенита имеет  твердость 200 … 250 единиц по Бринеллю. Кроме того у него хорошая пластичность и он отличается парамагнитностью.

Железо

Железо – это материал, относящийся к металлам. Его натуральный цвет – серебристо-серый. В чистом виде он очень пластичен. Его удельный вес составляет 7,86 г/куб. см.

Температура плавления составляет 1539 °C. На практике чаще всего применяют техническое железо, в составе которого присутствуют следующие примеси – марганец, кремний и многие другие.

Массовая доля примесей не превышает 0,1%.

Железо

У железа есть такое свойство как полиформизм. То есть, при одном и том же химическом составе, это вещество может иметь разную структуру кристаллической решетки и соответственно разные свойства.

Модификации железа называют соответственно – Б, Г, Д. Все эти модификации существуют при разных условиях. Например, тип Б, может существовать только при температуре 911 °С. Тип Г может существовать в диапазоне от 911 до 1392 °С.

Тип Д существует в диапазоне от 1392 до 1539 °С.

Каждый из типов обладает своей формой кристаллической решеткой, например, у типа Б решетка представляет собой куб, решетка типа Г имеет гранецентрированную кубическую форму. Решетка типа Д, имеет форму объемно центрированного куба.

Еще одно свойство состоит в том, что при температуре ниже 768 железо ферримагнитно, а при ее повышении это свойство теряется.

Точки полиморфной и магнитной трансформации называют критическими. На таблице они обозначены следующим образом – А2, А3, А4. Цифровые индексы показывают тип трансформации. Для более полного различия превращения железа из одного вида в другой к обозначению добавляют индексы с и r. Первый говорит о нагреве, второй об охлаждении.

Полиморфные модификации железа

При высоких параметрах пластичности, железо не обладает высокой твердостью, по шкале Бринелля она равна 80 единиц.

Железо имеет  возможность образовывать твердые растворы. Их можно разделить на две группы – раствор замещения и внедрения. Первые состоят их железа и других металлов, вторые из железа и углерода, водорода и азота.

Углерод

Другой компонент системы – углерод. Это – неметалл и он обладает тремя модификациями в виде алмаза, графита и угля. Он плавится при 3500 °С.

Аллотропные модификации углерода

В сплаве железа, этот элемент находится в виде твердого раствора, его называют цементит или в виде графита. В таком виде он присутствует в сером чугуне. Графит, не отличается ни пластичностью, ни прочностью.

Цементит

Доля углерода составляет 6,67%.  Он обладает высокой твердостью – 800 НВ, но при этом у него отсутствует пластичность. Полиморфными свойствами не обладает.

Он обладает следующим свойством – при формировании раствора замещения, углерод может быть заменен на атомы других веществ, например, на хром или никель. Такой раствор получил название легированного раствора.

Цементит

Он не обладает устойчивостью, при наличии некоторых условий он может разлагаться, при этом происходит трансформация углерода в графит. Это свойство нашло применение при образовании чугунов.

Кстати, в жидком состоянии, железо может растворять в себе примеси, при этом образуя, однородная масса.

Феррит

Так называют твердый раствор, при котором происходит внедрение углерода в железо.

Он растворяется с определенной переменностью, при нормальной (комнатной) температуре объем углерода лежит в пределах 0,006%, при 727 °С, то концентрация углерода составит 0,02%. По достижении 1392 °С образуется феррит.

Феррит

Содержание углерода составит 0,1%.  Его атомы размещаются в дефектных узлах решетки.

Феррит по своим параметрам близок к железу.

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.

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.

Диаграмма железо-цементит

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.

Перлит

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.

Ледебурит в сталях

Стали, в основании которых лежит ледебурит относят к легированным. В процессе кристаллизации происходит образование ледебурита. На диаграмме состояния железо углерод этот процесс указан в точке Е, которая расположена на линии Fe – Fe3C.

Использование таких элементов, как  хром,  вольфрам и некоторых других, приводят к образованию таких сплавов как Р6М5. Эту сталь и ее аналоги применяют при изготовлении инструментов, например, металлорежущих.

Узловые критические точки диаграммы состояния системы железо углерод

На диаграмме железо углерод отмечено некоторое количество точек, называемых критичными. Каждая точка несет в себе информацию о температуре, долевом содержании углерода и описанием того, что именно происходит  в этом месте.

Всего существует 14 этих критичных точек.

Например, А, говорит о том, что при температуре 1539 °С и при нулевом содержании углерода происходит плавление чистого железа. D говорит о том, что при температуре 1260 возможно плавление Fe3c.

Точки расположены на пересечении линий, размещенных на диаграмме.

Значение линий диаграммы состояния системы железо углерод

Каждая линия, расположенная на диаграмме, так же несет в себе смысловую нагрузку. Например, линия PQ показывает выделение третичного цементита из феррита.

Все расшифровки значений точек и линий всегда есть в приложениях к диаграмме состояния углерод железо.

Диаграмма состояния "железо — углерод"

Диаграмма состояния железо-углерод (цементит) — это графическое отображение фазового состава и структуры сплавов в зависимости от концентрации углерода и температуры

Содержание

Компоненты в системе «железо-углерод»

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.

Фазы в системе «железо-углерод»

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

Жидкая фаза

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит

Феррит (Ф, α)- твердый раствор внедрения углерода в α-железе (от латинского слова ferrum – железо). Различают низкотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727° С (точка P) и высокотемпературный δ-феррит (в интервале температур 1392…1539° С) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499° С (точка J).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 80 — 130 НВ, временное сопротивление – σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение — δ=50 %), магнитен до 768° С.

Под микроскопом феррит выглядит как светлые полиэдрические зерна. В сталях может существовать в виде сетки (разной толщины, в зависимости от содержания углерода), зерен (малоуглеродистые стали), пластин или игл (видманштетт).

Аустенит в сталях

Аустенит (А, γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ–железо (по имени английского ученого  Р. Аустена). Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в γ -железе 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 180 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40…50 %), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. Под микроскопом выглядит как светлые полиэдрические зерна с двойниками.

Цементит – формы существования

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. 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 аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита).

Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо — цементит и железо — графит.

Первая диаграмма (Fе — Fе3С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе — С) — графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура — содержание углерода.

Диаграмма состояния системы железо — углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран. Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова.

Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части.

Буквенное обозначение узловых точек в диаграмме является общепринятым как в России, так и за рубежом.

Диаграмма состояния железо-углерод

Имеющиеся во всех областях диаграммы фазы видны на рисунке. Значение всех линий указано в таблице.

Ликвидус по всей диаграмме проходит по линиям АВ, ВС, СD; солидус — по линиям АН, НJ, JЕ, ЕСF. Сплавы железа с углеродом обычно делят на стали и чугуны. Условной границей для такого деления является 2,14 % С (точка E). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % — к чугунам.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения. Обозначаются буквой А.

В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс с (от слова chauffage – нагрев) при нагреве и индекс r (от слова refroidissement – охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.

Таким образом, например, нагрев доэвтектоидной стали выше соответствующей точки на линии GS обозначается как нагрев выше точки АС3. При охлаждении же этой стали первое превращение должно быть обозначено как Аr3, второе (на линии РSК) — как Аr1.

Другие структурные составляющие в системе «железо-углерод»

Кроме компонентов и фаз в системе сплавов «железо-углерод» присутствуют другие структурные составляющие — перлит и ледебурит

Перлит

Перлит — эвтектоид, механическая смесь феррита и цементита, полученная в результате распада аустенита при охлаждении сплавов ниже 727° С.

При медленном охлаждении перлит присутствует во всех сплавах с концентрацией углерода от 0,02 до 6,67%. Под микроскопом перлит может выглядеть либо как пластины, либо как зерна — зернистый перлит.

Его вид, также как и механические свойства, зависит от скорости охлаждения сплава и вида его термической обработки

Ледебурит в сталях

Ледебурит — эвтектика, механическая смесь аустенита и цементита, выделяющаяся из жидкости при охлаждении сплавов ниже 1147° С.

Принципиальное отличие эвтектикой составляющей от эвтектоидной заключается в том, что первая выделяется из жидкости, а вторая из твердого раствора, в случае железоуглеродистых сплавов — из аустенита.

Название данная структурная составляющая получила в честь имени немецкого ученого-металлурга Ледебура.

Узловые критические точки диаграммы состояния системы железо-углерод

Узловые критические точки диаграммы железо-углерод

Значение линий диаграммы состояния системы железо-углерод

Значения линий на диаграмме железо-углерод

Всякая диаграмма состояния показывает условия равновесного сосуществования фаз во взятой системе компонентов.

Полное физико-химическое равновесие между фазами может быть достигнуто только в специальных лабораторных условиях, а на практике некоторым приближением к этому состоянию может быть случай чрезвычайно медленного охлаждения или нагрева сплава с весьма длительными выдержками во времени при любых искомых температурах.

Диаграмма состояния железо углерод

Диаграмма состояния железо углерод может иметь следующие фазы:

• жидкая фаза – раствора углерода в железе;
• твердый раствор углерода в гамма-железе;
• твердый раствор углерода в альфа-железе (дельта-железе);
• углерод в виде графита;
• карбид железа Fe3C, который чаще называют цементитом.

Цементит присутствует даже в относительно медленно охлажденных сплавах: требуется длительное выдерживание при повышенной температуре, чтобы разложить цементит на железо и графит.

По этой причине диаграмма состояния железо-углерод имеет два вида: стабильная диаграмма железо-углерод и метастабильная диаграмма железо-цементит.

Их еще называют «цементитная система» и «графитная система».

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

Метастабильная диаграмма железо-цементит

Метастабильную диаграмму называют также «цементитной». Отличие от стабильной («графитной») диаграммы возникают при выделении углерода – в виде графита или цементита.

Как показано на двойной диаграмме, решетки аллотропных форм железа (δ, γ и α или дельта, гамма и альфа) служат «растворителем» для образования соответственно твердых δ-, γ- и α-растворов углерода в железе.

Когда железо с очень малым содержанием углерода кристаллизуется, то кристаллы твердого дельта-раствора выделяются по линии ликвидус АВ и линии солидус АН. Твердый дельта-раствор имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку – точно такую же как и твердый альфа-раствор.

При максимальной температуре твердого дельта-раствора 1490 ˚С содержание углерода составляет 0,1 % (точка Н). При температуре 1490 ˚С происходит перитектическая реакция между пересыщенным твердым δ-раствором и жидкой фазой, содержащей 0,5 % углерода (точка В). В результате образуется твердый γ-раствор углерода в железе.

Он содержит 0,18 % углерода (точка I).

Если содержание углерода выше, чем 0,5 %, то твердый γ-раствор кристаллизуется прямо из жидкой фазы (по линии ликвидуса ВС и линии солидуса IE). При температуре 1130 ˚С ограниченная растворимость углерода в γ-железе составляет около 2,0 % (точка Е).

Снижение температуры ниже 1130 ˚С приводит к снижению растворимости углерода в γ-железе по линии ЕS. При температуре 723 ˚С растворимость углерода составляет 0,8 % (точка S). Линия ES соответствует выделению карбида железа (цементита) из γ-железа.

При повышении содержания углерода температура, при которой гамма-решетка превращается в альфа-решетку снижается и это превращение происходит в интервале температуры, соответствующем линиям GS и GP.

Линия выделения альфа-фазы GS пересекается с линией выделения карбида железа ES в точке S. Точка S является эвтектической точкой со следующими координатами: 723 ˚С по температуре и 0,80 % по содержанию углерода. В этой точке из гамма-раствора эвтектоидного состава одновременно выделяются твердый альфа-раствор (феррит) и карбид железа (цементит).

Решетка твердого альфа-раствора является идентичной решетке твердого дельта-раствора. При эвтектоидной температуре 723 ˚С твердый альфа-раствор содержит 0,02 % углерода (точка Р). Дальнейшее охлаждение приводит к понижению растворимости углерода в альфа-железе и при комнатной температуре она составляет только малые доли процента (точка D).

Когда содержание углерода составляет от 2,0 до 4,3 %, кристаллизация начинается с выделения гамма-раствора по линии ВС. Увеличение содержания углерода выше 4,3% приводит к выделению карбида железа по линии CD.

Выделение дополнительной первичной фазы в сплавах с содержанием углерода выше 2,0 % сопровождается эвтектической кристаллизацией гамма-раствора и карбида углерода в точке С, координаты которой – 1130 °С и 4,3 % углерода.

Линия МО связана с магнитным превращением, то есть переходом от ферромагнитного к парамагнитному состоянию железа.

Стабильная диаграмма железо-графит

Эту диаграмму называют также «графитной». При очень низкой скорости охлаждения углерод в виде графита может кристаллизоваться прямо из жидкой фазы. В этом случае образуется эвтектическая смесь аустенита и графита вместо эвтектики аустенита и цементита.

Как показано на диаграмме штриховые линии, которые относятся к системе железо-графит, проходят при более высоких температурах, чем соответствующие линии системы железо-цементит. Это указывает на большую стабильность и близость к полному равновесию системы железо-графит.

В пользу этого вывода свидетельствует и тот факт, что нагрев высокоуглеродистых сталей с большим содержанеим цементита приводит к его распаду: цементит —> железо + графит.

При умеренных скоростях охлаждения часть сплава может кристаллизоваться согласно «графитовой» диаграмме состояния, а другая часть – согласно «цементитной» диаграмме состояния.

Линии фазового равновесия на диаграммах обоих систем могут смещаться в зависимости от конкретных скоростей охлаждения. Наиболее заметное смещение можно видеть для линий выделения углерода в твердом гамма-растворе. Поэтому диаграмма является по-настоящему правильной только при условии очень медленного охлаждения сплавов.

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

Мы уже начинали рассматривать диаграммы состояния в этой публикации и там разобрали основные понятия, которые важно осмыслить, прежде, чем вникать в тему более глубоко. Но тут меня попросили разобрать диаграмму состояния железо-углерод (её ещё частенько называют железо-цементит). Ну что же, запасаемся попкорном и пытаемся вместе разобраться в этом крокодиле…

Диаграмма состояния железо-углерод, в том или ином количестве, встречается всем инженерам. Изучают её на курсе материаловедения, а прослушивают этот курс все технари. В большинстве случаев, изучение этой темы превращается в кошмар. Особенно, когда тебя просят нарисовать этот кошмар по памяти на листочке.

Но главный вопрос — почему именно эта диаграмма? Ответ простой. На диаграмме железо-углерод есть большая часть сложных моментов, которые вообще встречаются на диаграммах состояния. От того, поняв её мы разберемся и со всеми основами чтения диаграмм.

Кроме всего этого, сплавы железа всё ещё продолжают заниматься лидирующее положение среди конструкционных материалов. Поэтому, вперёд друзья.

Как мы помним, диаграмма состояния — это график фазовых состояний в зависимости от концентрации каждого химического элемента и температуры.

Значит, диаграмма железо-углерод — это отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химсостава и температуры.

Это нужно для того, чтобы мы, зная химический состав стали и температуру системы, могли понять, какой фазовый состав будем иметь.

Знания эти необходимы для того, чтобы выбрать правильный режим термической обработки или подобрать вариант механической обработки (ведь зная фазовый состав мы уже примерно представляем свойства).

Вот, собственно, и всё, что нужно знать про диаграмму :)…Теперь остается научиться её читать. И с этим есть масса сложностей.

Вот диаграмма железо-углерод на рисунке ниже. И что это? А мы не понимаем, что это :)! Давайте разбираться, ибо сейчас оно выглядит скорее как клетчатый листочек с нарисованным динозавром.

По оси ординат у нас обозначены температуры системы. По оси абцисс — химические составы.

Максимальная температура системы ограничивается температурами плавления компонентов. Выше идёт только жидкость. Но про фазы чуть позднее.

Слева у нас феррит. Справа — углерод. Количество углерода растёт слева направо.

Обратите внимание и на нижнюю шкалу, где отложен Fe3C.

Это цементит. Его количество также увеличивается слева направо. Цементит — это карбид железа или химическое соединение железа с углеродом. Но есть подлянка, куда же без неё :)…Максимальное количество углерода в этой системе у нас 6,67%. А вот цементита будет 100%. Процентное содержание цементита не соответствует проценту углерода.

Это появилось из-за того, что в системе железо-углерод в целом возможно максимальное содержание углерода 6,67% на физическом уровне.

И вот тут внимание! Чистое железо (альфа-железо) у нас на диаграмме есть только в крайней левой точке. Этот вопрос любят задавать на защитах. Всё что дальше вправо — это феррит. А феррит, как мы помним, это твёрдый раствор углерода в альфа железе. Или, сплав железа с углеродом.

На диаграмме мы видим и сталь, и чугун. Их отличие в том, что сталь — это содержание углерода в сплаве с железом от 0,02 до 2,14%. Чугун — тот же сплав железа с углеродом, но с содержанием от 2,14% углерода.

Фазы на диаграмме

Само собой, из диаграммы состояния можно узнать фазовый состав. Или на кой чёрт она бы ещё сдалась 🙂 Тут мы видим следующие фазы.

• Жидкая фаза — это коктейль, который получается, если всё расплавить. Обращаем внимание, что при разных химических составах мы имеем разные температуры плавления.
• Феррит — уже обсудили, что это твердый раствор внедрения углерода в альфа железо.
• Аустенит — это твёрдый раствор внедрения углерода в гамма железо.
• Цементит — тоже уже обсудили. Химическое соединение железа с углеродом. Максимальная концентрация углерода в цементите 6,67% по массе и это предельная для железоуглеродистых сплавов концентрация.
• Графит — это фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Он выделяется в системе железо-углерод при определенных условиях.

Сразу отмечу, что на этом фазы заканчиваются. Преподы любят заваливать на подобных вопросах. Фаз на диаграмме у нас больше нет, зато есть кое-что ещё. Об этом далее.

Наверняка возникает вопрос что это за альфа-железо и за гамма-железо. Это так называемый полиморфизм. Химический состав один, а вид кристаллической решетки разный.

На самой же диаграмме есть ещё всякие буковки. И если буквы А (аустенит), Ж (жидкость), Ц (цементит), то всё ясно. Но ещё есть буквы Л и П. Что это такое?

Структуры на диаграмме

Л — это ледебурит. Так называется особенная структура, характерная преимущественно для чугунов. Представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Её же можно назвать механической смесью.

П — это перлит. Ещё одна структура, которая представлена эвтектоидной смесью из тонких пластинок феррита и цементита.

Новые слова для нас эвтектическая и эветктоидная. Эвтектическая в данном случае означает образование гетерогенной структуры сплава. Эвтектоидная — по сути тоже самое, только образуется изначально не из жидких фаз, а из твердых.

Эветктика же, это точка, в которой находятся в термодинамическом равновесии n — твёрдых фаз и жидкая фаза. Жидкая эвтектика кристаллизуется при температуре более низкой, чем температура кристаллизации каждого из веществ, входящих в состав смеси. Температура плавления твёрдой эвтектики — самая низкая для данной смеси компонентов.

Что происходит на диаграмме железо-углерод

Теперь самое веселое. Вроде бы всё, что вокруг на диаграмме есть, мы проанализировали. Остается понять что во что и когда превращается 🙂

Ну, мы уже поняли, что отправная точка — это температура. Греем систему из железа и углерода и видим изменения.

На диаграмме мы видим многочисленные линии ликвидуса и солидуса. Это линии, по которым идёт плавление и кристаллизация соответственно.

Удобно пользоваться следующей картинкой. Здесь расставлены все фазы и структуры.

Если путешествовать по линиям, то видим протекающие процессы.

Всё, что выше линий ABCD — жидкая фаза. Значит это линия ликвидус. Выше неё только жидкая фаза. Дальше работаем по правилу фаз Гиббса. Линию солидус найти сложнее. Ниже неё только твердая фаза. Тут солидусов несколько.

Не знаю, стоит ли досконально разбирать каждую линию. Если у вас есть вопросы, задавайте их в х и я дополню материалы.

Сейчас же попробую обобщить всё одной фразой. Читаем внимательно.

Диаграмма состояния железо-углерод, с размеченными областями, как показано на рисунке выше, указывает нам фазовые и структурные состояния, которые мы имеем в системе при данных параметрах (температура и химсостав). Линии указывают начало или конец процесса кристаллизации или плавления. Всё! Другого секрета тут нет.

Как пользоваться диаграммой железо-углерод

Часто преподы гасят студентов вопросами про использование диаграммы состояния. Ученик не понимает, как диаграммой пользоваться и зачем её вообще нужно изучать. Рассмотрим типичную задачу.

Нужно нам изучить состояния сплава, содержащего 0,4% углерода в своем составе. Имеем дело с обычной сталью.

Поднимаем перпендикуляр из точки, соответствующей количеству углерода в 0,4%.

Видим, что система, в диапазоне от 0 до 700 градусов, представляет собой твердую смесь перлита и цементита. В точке 4 происходит переход и в диапазоне от 700 до 800 градусов и мы попадаем в зону аустенита и феррита.

В диапазоне от 800 до 1450 градусов сплав имеет состав аустенита, а переход состоялся в точке 3.

В диапазоне от 1450 до 1520 градусов рассматриваемый сплав начинает постепенно плавиться и представлен аустенитом и жидким раствором. Переход происходил в точке 2.

Ну и всё что выше — это уже жидкость, где произошла гомогенизация. Вот такие данные можно выцепить.

Часто возникают вопросы, что именно происходит в точках перехода (которые у нас отмечены 1,2,3 и 4). Там мы имеем адский коктейль. Нестабильную смесь. Например, в точке 4 будет месиво из феррита, перлита и аустенита. Пропорции тут можно определить только лабораторным испытанием.

Ещё может появиться вопрос, а что у нас, например, на отрезке 2 — 3. Тут ответ очевиден — там 100% аустенита. Т.е. 0,4% углерода внедрились в структуру гамма железа и застыли.

Сложнее ситуация на отрезках, типа 0 — 4. Там у нас феррит + перлит. Но чего сколько? Ответ кроется в понимании характерных точек. Перлит у нас в точке S. Значит, просто смотрим насколько далеко точка 4 от точки S.

Характерные точки на диаграмме железо-углерод

В системе железо-углерод происходит невероятное количество превращений. Несколько мы уже обсудили. Но систематизируем все знания.

В точка N и G — мы наблюдаем полиморфное превращение. Происходит смена типа кристаллической решетки. Сначала с альфа-железа на гамма-железо, потом наоборот.

Точка C — это эвтектическое превращение со структурой ледебурит. Вопрос эвтектики мы описали чуть выше.

Точка S — это эвтектоидное превращение, имеем в структуре чистый перлит и запоминаем циферку 0,8% углерода.

Точка H — это перитектическое превращение. Взаимодействие кристаллов твердого раствора с жидкостью, происходящий при постоянной температуре и постоянной концентрации фаз, приводящее к образованию кристаллов другого твердого раствора.

—————-

Итак, я постарался изложить основные моменты, которые могут помочь вам в освоении сложного материала. Считать статью исчерпывающей не стоит, поскольку очень многое осталось в тени. Я исходил из того, что чаще всего спрашивают при обучении и из того, где чаще всего есть пробелы в понимании. Если вопросы остались — задавайте ;)!