Укажите чем отличается fea и fey

Железо, его совйства, полиморфные превращения чистого железа

Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.Собственно, железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al[2]). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

Свойства: Оно пластично, легко куется как в холодном, так и нагретом состоянии, поддается прокатке, штамповке и волочению. Способность растворять углерод и других элементы служит основой для получения разнообразных железных сплавов. Железо может существовать в виде двух кристаллических решеток: α- и γ-объемноцентрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК). Ниже 910°С устойчиво α-Fe с ОЦК-решеткой (а = 2,86645Å при 20 °С). Между 910 °С и 1400°С устойчива γ-модификация с ГЦК-решеткой (а = 3,64Å). Выше 1400°С вновь образуется ОЦК-решетка δ-Fe (a = 2,94Å), устойчивая до температуры плавления (1539 °С). α-Fe ферромагнитно вплоть до 769 °С (точка Кюри). Модификации γ-Fe и δ-Fe парамагнитны.

Некоторые металлы (железо, титан, кобальт, цирконий и др.) при разных температурах имеют различные кристаллические решетки. Такое явление называется полиморфизмом или аллотропией. Процесс перехода из одного кристаллического строения в другое называется полиморфным (аллотропическим) превращением.

Строение, получающееся в результате полиморфного превращения, называется аллотропической формой. Аллотропическая форма, устойчивая при более низкой температуре, обозначается индексом a, при более высокой – b, g и т. д.

Температура, при которой происходит переход решетки из одного вида в другой, называется температурой полиморфного превращения или температурой перекристаллизации. При этом изменяются свойства металла (плотность, теплопроводность, теплоемкость и др.).

Аллотропические превращения при нагревании происходят с поглощением тепла, а при охлаждении – с его выделением. Как при нагревании, так и при охлаждении аллотропические превращения происходят с некоторым запаздыванием. Так, температура превращения a-модификации в b-модификацию, происходящего при нагревании, будет всегда выше температуры превращения b в a, происходящего при охлаждении. Такое явление называется гистерезисом.

До температуры 1539 °С происходит охлаждение жидкого железа. При 1539 °С на кривой охлаждения появляется площадка. При этой температуре железо затвердевает, и выделяется скрытая теплота кристаллизации. По окончании кристаллизации и до температуры 1392 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Fea ).При 1392 °С на кривой появляется вторая площадка, связанная с аллотропическим превращением a-железа (Fea) в g-железо (Feg), имеющее гранецентрированную кубическую решетку.При аллотропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые. Такое превращение аналогично процессу кристаллизации: вначале образуются зародыши, а затем идет рост зерен новой модификации. Такое превращение является перекристаллизацией. Следующая площадка наблюдается на кривой охлаждения при температуре 911 °С по причине превращения Feg в Fea. Кристаллическая решетка превращается из гранецентрированной опять в объемно-центрированную кубическую, которая сохраняется до самых низких температур.Площадка на кривой охлаждения, соответствующая температуре 768 °С, связана не с перестройкой кристаллической решетки, а с перестройкой электронных оболочек атомов и изменением магнитных свойств. Ниже 768 °С железо магнитно, а выше – немагнитно.Иногда немагнитное железо Fea называют Feβ, а высокотемпературную модификацию Fea (в интервале 1392…1539 °С) – Fed. Полиморфные превращения протекают как в чистых металлах, так и в сплавах.

Fe-Fe3C

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит. Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом. В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом. Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен. В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Источник

Полиморфное превращение в железе.

Во многих металлах при изменении температуры происходит перегруппировка атомов, кристаллическая решетка одного вида переходит в другой. Это явление называется аллотропией или полиморфизмом, а различные кристаллические формы одного вещества называют полиморфными модификациями.

Полиморфные модификации обозначаются греческими буквами α, β, γ, δ и т.д., причем α соответствует модификации, существующей при наиболее низкой температуре.

Суть полиморфного превращения заключается в том, что при нагревании в твердом металле возникают новые центры кристаллизации, что приводит к образованию новой решетки. При формировании кристаллической решетки температура остается постоянной, так как при нагревании формирование происходит с поглощением тепла, а при охлаждении – с выделением тепла. Полиморфное превращение – это кристаллизационный процесс и на кривой нагревания (охлаждения) изображается горизонтальной линией.

В результате полиморфного превращения образуются зерна, имеющие другой размер и форму по сравнению с исходными зернами. При переходе из одной полиморфной модификации в другую меняются все свойства металлов.

Важнейшее значение в технике имеют полиморфные превращения в железе (Рис. 5). Железо может существовать в нескольких модификациях.

Рисунок 5. Кривая охлаждения чистого железа.

До температуры 1539ºС железо остается жидким. При температуре 1539ºС начинается кристаллизация и образуется δ-железо, имеющее кубическую объемно-центрированную решетку. Между температурами 1400 и 910ºС происходит перестройка этой решетки в новую модификацию – γ-железо с образованием кубической гранецентрированной решетки. Ниже температуры 910ºС железо переходит в новую форму – α-железо с кубической объемно-центрированной решеткой. При температуре 768ºС происходит последняя температурная остановка с образованием магнитной формы α-железа, в которой сохраняется объемно-центрированная решетка.

Подобные полиморфные превращения происходят и с другими металлами, но при иных критических температурах.

Источник

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Компоненты

Основными компонентами являются железо Fe и углерод С и оба являются полиморфными.

Чем чище железо, тем меньше прочностные показатели и выше показатели пластичности.

Железо плавится при температуре 1539 °С и имеет две модификации: Fe_a и Fe_Y. Fe_a существует при температурах до 911 °С и в интервале от 1392 до 1539 °С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм (при температуре 20–25 °С). Важной особенностью Fe_a является его ферромагнетизм ниже температуры 768°С, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe_y существует в интервале температур от 911 до 1392 °С, имеет ГЦК решетку, период которой при 911 °С равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК решетка, и поэтому при переходе Fe_a в Fe_Y объем железа уменьшается приблизительно на 1%. Fe_Y парамагнитно.

Углерод – неметаллический элемент (T_пл = 3500 °С). В свободном состоянии встречается в виде алмаза и графита.

В сплавах с железом встречается либо в виде графита (серый, ковкий и высокопрочный чугуны), либо в виде химического соединения с железом Fe₃C – цементита (стали и белые чугуны).

Критические точки сплавов

Критическая точка – температура, при которой в сплаве происходят фазовые превращения. Критические точки определяют по кривым охлаждения сплавов.

В зависимости от характера превращения критические точки имеют собственные имена: ликвидус, солидус, сольвус (табл. 6.1) и др.

Каждая точка диаграммы состояния характеризует строго определенный состав сплава при соответствующей температуре. Точка А (1539 °С) отвечает температуре плавления железа, точка D (≈ 1250 °С) – температуре плавления цементита, точки N (1392 о С) и G (910 °С) соответствуют полиморфному превращению Feα↔Feγ.

Виды критических точек сплавов

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния следующая: В – 0,51% С в жидкой фазе, находя-щейся в равновесии с δ-ферритом (Fe_δ(C)) и аустенитом (Feγ(C)), при перитектической реакции и при 1499 о С; Н – 0,1% С в δ— феррите при 1490 о С; J – 0,16% C – в аустените-перитектике при 1490 о С; Е – 2,14% предельное содержание в аустените при 1147 °С; S – 0,8% С в аустените при реакции эвтектоидного превращения 727 °С; Р – 0,02% С – предельное содержание в феррите (Fe_α(C)) при 727 °С.

Линия, соединяющая точки АВСD на диаграмме, – линия ликвидус. Выше этой линии все железоуглеродистые сплавы находятся в жидком состоянии. Линия АHJECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии и при дальнейшем охлаждении происходят только процессы, связанные с изменением растворимости углерода в Fe_α и Fe_γ, а также процессы, которые обусловливаются аллотропическим (полиморфным) превращением железа.

Линия АВ указывает температуру начала кристаллизации δ- феррита из жидкого сплава; линия ВС – температуру начала кристаллизации аустенита; линия CD – температуру начала кристаллизации первичного цементита. При достижении температуры 1147 °С ECF (эвтектики) состав жидкой фазы любого сплава, расположенного между точками E и F диаграммы, будет соответствовать точке C (4,3% С). При этой температуре оставшаяся часть жидкой фазы состава 4,3% углерода кристаллизуется с образованием эвтектики – механической смеси кристаллов аустенита и цементита, называемой ледебуритом.

Ниже линии GS происходит полиморфное превращение аустенита в феррит.

Линия SE является линией насыщения и показывает, как изменяется растворимость углерода Fe_γ с изменением температуры. Вследствие уменьшения растворимости углерода в Fe_γ при понижении температуры из пересыщенного аустенита будет выделяться вторичный цементит Ц_II.

Линия PSK 727 °C является линией эвтектоидного превращения. При этой температуре аустенит (А_s) состава точки S (0,8% C) распадается с образованием перлита (П_s): А_s→ П_s→ (Ф + Ц).

Значения точек на диаграмме железо – цементит

Превращение в диаграмме Fe–Fe₃C

В диаграмме (рис. 6.6) отмечено три линии, параллельные оси концентрации – HJB, ECF и PSK, характеризующие различные превращения.

Рис. 6.6. Область перитектического превращения к диаграмме Fe-Fe₃C

Линия HJB характеризует перитектическое превращение (рис. 6.6), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. В (0,5% С) и высокотемпературного феррита концентрации т. Н (0,1% С) образуется одна фаза – аустенит концентрации т. J (0,16% С).

Рассмотрим кривую охлаждения сплава 1 с содержанием углерода 0,16% (точно соответствующего перитектической реакции). В т. 1 в жидкости начинается кристаллизация твердой фазы – феррита, которого по мере охлаждения становится всё больше и к т. 2 он приобретает концентрацию т. Н. Оставшаяся жидкость в этот момент имеет концентрацию т. В. При взаимодействии Ф_н и Ж_в происходит перитектическое превращение с образованием A_J. В интервале концентраций между т. Н и J после превращения остается избыточный феррит, а между т. J и В – избыточная жидкость, которая по мере охлаждения также превращается в аустенит, но иной концентрации, чем перитектический. По мере охлаждения концентрация аустенита за счет диффузии атомов углерода уравнивается.

В сплавах с содержанием углерода менее 0,1% и более 0,5% перитектическое превращение не идет.

Линия ECF характеризует эвтектическое превращение (рис. 6.7), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. С (4,3% С) кристаллизуется механическая смесь двух фаз – аустенита концентрации, т. Е (2,14% С) и цементита: Ж_с – А_е + Ц.

Эвтектическая механическая смесь носит название «ледебурит» и имеет концентрацию т. С (4,3% С). Как и все превращения, эвтектическое идет при остановке температуры (т.1–1) и заканчивается при кристаллизации всей жидкости.

Итак, эвтектический чугун имеет при температуре ниже 1147 °С структуру ледебурита, состоящего из А + Ц. В доэвтектическом чугуне в т. 2 (рис. 6.7, сплав 2) из жидкости вначале кристаллизуются зерна аустенита. По мере охлаждения количество аустенита растет, а жидкость обогащается углеродом (концентрация изменяется по линии ВС) и при температуре 1147 °С имеет концентрацию т. С (4,3% С), т.е. эвтектическую.

В т. 3–3′ идет эвтектическое превращение до полной кристаллизации жидкости в ледебурит. Следовательно, доэвтектический чугун наряду с ледебуритом имеет в структуре зёрна первоначально образованного аустенита. По аналогии в заэвтектическом чугуне (рис. 6.7, сплав 3) первоначально из жидкости выделяется цементит, обедняя жидкость, которая при температуре 1147 °С также имеет эвтектическую концентрацию.

Рис. 6.7. Область эвтектического превращения в диаграмме железо-цементит

Рис. 6.8. Область эвтектоидного превращения в диаграмме железо-цементит

Заэвтектический чугун наряду с эвтектикой – ледебуритом имеет пластины первоначально выделившегося из жидкости цементита, отмечаемого как первичный (Л + Ц).

Впоследствии при охлаждении чугуна входящий в его структуру аустенит на линии PSK претерпевает эвтектическое превращение с образованием перлита. Чугун ниже 727 °С имеет следующую структуру: эвтектический – ледебурит (П + Ц); доэвтектический П + Л (П + Ц); заэвтектический – Ц + Л (П + Ц).

Линия PSK характеризует эвтектоидное превращение (рис. 6.8), суть которого в том, что из аустенита концентрации т. S (0,8% С) обра-зуется механическая смесь двух фаз – феррита концентрации т. Р (0,02% С) и цементита: А – Ф_р + Ц.

Механическая эвтектоидная смесь носит название «перлит» и имеет содержание углерода 0,8%. Как правило, в равновесном состоянии в сталях перлит имеет пластинчатое строение (чередующиеся пластины феррита и цементита). Эвтектоидное превращение идет с остановкой температуры до исчезновения аустенита (рис. 6.8, сплав 1, т, 11′). Наиболее характерно образование эвтектоидной смеси перлита для сталей. Стали даже получили деление на эвтектоидные, доэвтектоидные и заэвтектоидные.

В заэвтектической стали (рис. 6.8, сплав 3) из аустенита первоначально выделяется цементит, называемый вторичным – Ц_ΙΙ, обедняя аустенит по углероду, концентрация которого по мере охлаждения аустенита приближается к концентрации т. S. Далее, аустенит превращается в эвтектоидную смесь – перлит по известной схеме. В результате структура заэвтектоидной стали представляет собой перлит и цементит вторичный (П + Ц_ΙΙ ). Отличительной особенностью является то, что Ц_ΙΙ выделяется в виде сетки по границам зерна аустенита на месте которого может возникнуть в последующем несколько зёрен перлита. Отсюда и структура заэвтектоидной стали при температуре менее 727 °С: зёрна перлита и сетка Ц_ΙΙ, окаймляющего одно или несколько зёрен перлита пластинчатого.

Как ранее было отмечено, в технически чистом железе находится не более 0,02% С, что и определяет специфику формирования его структуры. Из диаграммы Fe – Fe₃C видно (рис. 6.9), что эвтектоидного превращения для такого рода сплавов не происходит. Из аустенита при охлаждении начинает выделяться феррит (сплав I, т.1–2; сплав II, т.3–4). Разница феррита и сплавов только в количестве растворенного углерода. Если углерода менее 0,01%, то структура феррита остаётся неизменной вплоть до комнатной температуры. Если же углерода более 0,01% и до 0,02%, то при пересечении при охлаждении линии PQ растворимость углерода в феррите падает (рис. 6.9, сплав II) и углерод выделяется по границам зёрен феррита в виде включений Ц_ΙΙΙ (цементита третичного).

Рис. 6.9. Ферритная область диаграммы Fe – Fe₃C

Процесс выделения Ц_ΙΙΙ из феррита характерен для всех железоуглеродистых сплавов, имеющих в структуре феррит, просто его уловить в других структурах практически невозможно вследствие его объединения с другими видами цементита.

Пример расчёта количества структурных составляющих и фаз

В качестве примера рассмотрим расчёт весового количества структурных составляющих и фаз с помощью правила отрезков в заэвтектоидной стали с 1,5% углерода при 600 °С (рис. 6.13).

Содержания структурных составляющих определяются последова-тельно по мере их образования в процессе охлаждении сплава с применением правила отрезков для двух сосуществующих фаз или структурных составляющих по коноде abc6def. Величину отрезков будем измерять в процентах углерода. Считаем, что концентрация в точке а 0,01% углерода.

Определим фазовый состав в точке 6:

Количество структурных составляющих в точке 6:

Учитывая некоторые особенности в использовании коноды для области диаграммы, где находятся три структурные составляющие, рассмотрим расчёт для такого случая на примере точки 7 (содержание углерода 4% при температуре 600 °С):

Рис. 6.13. Схема для изучения превращений, происходящих в стали с содержанием углерода 1,5% при медленном охлаждении: а – диаграмма состояния;

б – кривая кристаллизации сплава

Компоненты

Основными компонентами являются железо Fe и углерод С и оба являются полиморфными.

Чем чище железо, тем меньше прочностные показатели и выше показатели пластичности.

Железо плавится при температуре 1539 °С и имеет две модификации: Fe_a и Fe_Y. Fe_a существует при температурах до 911 °С и в интервале от 1392 до 1539 °С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм (при температуре 20–25 °С). Важной особенностью Fe_a является его ферромагнетизм ниже температуры 768°С, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe_y существует в интервале температур от 911 до 1392 °С, имеет ГЦК решетку, период которой при 911 °С равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК решетка, и поэтому при переходе Fe_a в Fe_Y объем железа уменьшается приблизительно на 1%. Fe_Y парамагнитно.

Углерод – неметаллический элемент (T_пл = 3500 °С). В свободном состоянии встречается в виде алмаза и графита.

В сплавах с железом встречается либо в виде графита (серый, ковкий и высокопрочный чугуны), либо в виде химического соединения с железом Fe₃C – цементита (стали и белые чугуны).

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Структуры могут быть однофазные, двухфазные и многофазные. К однофазным структурам относят феррит, аустенит, цементит.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Fe_a. В низкотемпе-ратурной модификации Fe_a максимальная растворимость углерода равна 0,02% при температуре 727 °С (т. Р), в высокотемпературной модификации Fe_a – 0,1% при температуре 1499 °С (т. Н). При комнатной температуре в феррите содержится 0,01% С. Характеризуется низкой прочностью (σ_в= 250 МПа) и твердостью 63-130 НВ, высокой пластичностью (относительное удлинение δ = 40%). На диаграмме состояния феррит занимает область GPQ. Образуется из аустенита (рис. 6.2).

Аустенит– твердый раствор внедрения углерода в F_Y с ГЦК решеткой. Максимальная растворимость равна 2,14% при температуре 1147 °С (т. Е), что практически на два порядка выше, чем в феррите. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ 160–200). Аустенит парамагнитен (рис. 6.3).

Рис. 6.4. Феррит и аустенит

Цементит – химическое соединение железа с углеродом. Стехиометрическая формула цементита – Fe₃C (карбид железа), содержит 6,67% С. Цементит имеет сложную орторомбическую кристаллическую решётку (рис. 6.5), обладает высокой твердостью (НВ 800) и большой хрупкостью. Чем больше цементита в сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. По условиям образования различают: первичный цементит Ц_I (образуется при кристаллизации из жидкости в виде больших светлых кристаллов), вторичный цементит Ц_п (выделяется из аустенита в виде сетки по границам зерен), третичный цементит Ц_ш (выделяется из графита в виде мелких зерен).

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. Выделается в сталях 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 легкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи. Прочность 8500 МПа.

Рис. 6.5. Кристаллическое строение цементита

К двухфазным составляющим относят перлит и ледебурит.

Перлит– механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита (Ф+Ц). Существует ниже 727 °С и содержит 0,8% С. Образуется в результате распада аустенита в процессе его охлаждения при температурах ниже 727 °C. Перлит в зависимости от формы частичек цементита бывает пластинчатым или зернистым, что определяет его механические свойства. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей (σ_в = 800-900 МПа, δ ≤ 16%, 180-220 HB).

Ледебурит– механическая смесь (эвтектика) в области температур от 1147 до 727 °С состоит из аустенита и цементита (А+Ц), а ниже 727 °С состоит из перлита и цементита (П+Ц). Содержит 4,3% С.

Критические точки сплавов

Критическая точка – температура, при которой в сплаве происходят фазовые превращения. Критические точки определяют по кривым охлаждения сплавов.

В зависимости от характера превращения критические точки имеют собственные имена: ликвидус, солидус, сольвус (табл. 6.1) и др.

Каждая точка диаграммы состояния характеризует строго определенный состав сплава при соответствующей температуре. Точка А (1539 °С) отвечает температуре плавления железа, точка D (≈ 1250 °С) – температуре плавления цементита, точки N (1392 о С) и G (910 °С) соответствуют полиморфному превращению Feα↔Feγ.

Виды критических точек сплавов

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния следующая: В – 0,51% С в жидкой фазе, находя-щейся в равновесии с δ-ферритом (Fe_δ(C)) и аустенитом (Feγ(C)), при перитектической реакции и при 1499 о С; Н – 0,1% С в δ— феррите при 1490 о С; J – 0,16% C – в аустените-перитектике при 1490 о С; Е – 2,14% предельное содержание в аустените при 1147 °С; S – 0,8% С в аустените при реакции эвтектоидного превращения 727 °С; Р – 0,02% С – предельное содержание в феррите (Fe_α(C)) при 727 °С.

Линия, соединяющая точки АВСD на диаграмме, – линия ликвидус. Выше этой линии все железоуглеродистые сплавы находятся в жидком состоянии. Линия АHJECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии и при дальнейшем охлаждении происходят только процессы, связанные с изменением растворимости углерода в Fe_α и Fe_γ, а также процессы, которые обусловливаются аллотропическим (полиморфным) превращением железа.

Линия АВ указывает температуру начала кристаллизации δ- феррита из жидкого сплава; линия ВС – температуру начала кристаллизации аустенита; линия CD – температуру начала кристаллизации первичного цементита. При достижении температуры 1147 °С ECF (эвтектики) состав жидкой фазы любого сплава, расположенного между точками E и F диаграммы, будет соответствовать точке C (4,3% С). При этой температуре оставшаяся часть жидкой фазы состава 4,3% углерода кристаллизуется с образованием эвтектики – механической смеси кристаллов аустенита и цементита, называемой ледебуритом.

Ниже линии GS происходит полиморфное превращение аустенита в феррит.

Линия SE является линией насыщения и показывает, как изменяется растворимость углерода Fe_γ с изменением температуры. Вследствие уменьшения растворимости углерода в Fe_γ при понижении температуры из пересыщенного аустенита будет выделяться вторичный цементит Ц_II.

Линия PSK 727 °C является линией эвтектоидного превращения. При этой температуре аустенит (А_s) состава точки S (0,8% C) распадается с образованием перлита (П_s): А_s→ П_s→ (Ф + Ц).

Значения точек на диаграмме железо – цементит

Превращение в диаграмме Fe–Fe₃C

В диаграмме (рис. 6.6) отмечено три линии, параллельные оси концентрации – HJB, ECF и PSK, характеризующие различные превращения.

Рис. 6.6. Область перитектического превращения к диаграмме Fe-Fe₃C

Линия HJB характеризует перитектическое превращение (рис. 6.6), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. В (0,5% С) и высокотемпературного феррита концентрации т. Н (0,1% С) образуется одна фаза – аустенит концентрации т. J (0,16% С).

Рассмотрим кривую охлаждения сплава 1 с содержанием углерода 0,16% (точно соответствующего перитектической реакции). В т. 1 в жидкости начинается кристаллизация твердой фазы – феррита, которого по мере охлаждения становится всё больше и к т. 2 он приобретает концентрацию т. Н. Оставшаяся жидкость в этот момент имеет концентрацию т. В. При взаимодействии Ф_н и Ж_в происходит перитектическое превращение с образованием A_J. В интервале концентраций между т. Н и J после превращения остается избыточный феррит, а между т. J и В – избыточная жидкость, которая по мере охлаждения также превращается в аустенит, но иной концентрации, чем перитектический. По мере охлаждения концентрация аустенита за счет диффузии атомов углерода уравнивается.

В сплавах с содержанием углерода менее 0,1% и более 0,5% перитектическое превращение не идет.

Линия ECF характеризует эвтектическое превращение (рис. 6.7), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. С (4,3% С) кристаллизуется механическая смесь двух фаз – аустенита концентрации, т. Е (2,14% С) и цементита: Ж_с – А_е + Ц.

Эвтектическая механическая смесь носит название «ледебурит» и имеет концентрацию т. С (4,3% С). Как и все превращения, эвтектическое идет при остановке температуры (т.1–1) и заканчивается при кристаллизации всей жидкости.

Итак, эвтектический чугун имеет при температуре ниже 1147 °С структуру ледебурита, состоящего из А + Ц. В доэвтектическом чугуне в т. 2 (рис. 6.7, сплав 2) из жидкости вначале кристаллизуются зерна аустенита. По мере охлаждения количество аустенита растет, а жидкость обогащается углеродом (концентрация изменяется по линии ВС) и при температуре 1147 °С имеет концентрацию т. С (4,3% С), т.е. эвтектическую.

В т. 3–3′ идет эвтектическое превращение до полной кристаллизации жидкости в ледебурит. Следовательно, доэвтектический чугун наряду с ледебуритом имеет в структуре зёрна первоначально образованного аустенита. По аналогии в заэвтектическом чугуне (рис. 6.7, сплав 3) первоначально из жидкости выделяется цементит, обедняя жидкость, которая при температуре 1147 °С также имеет эвтектическую концентрацию.

Рис. 6.7. Область эвтектического превращения в диаграмме железо-цементит

Рис. 6.8. Область эвтектоидного превращения в диаграмме железо-цементит

Заэвтектический чугун наряду с эвтектикой – ледебуритом имеет пластины первоначально выделившегося из жидкости цементита, отмечаемого как первичный (Л + Ц).

Впоследствии при охлаждении чугуна входящий в его структуру аустенит на линии PSK претерпевает эвтектическое превращение с образованием перлита. Чугун ниже 727 °С имеет следующую структуру: эвтектический – ледебурит (П + Ц); доэвтектический П + Л (П + Ц); заэвтектический – Ц + Л (П + Ц).

Линия PSK характеризует эвтектоидное превращение (рис. 6.8), суть которого в том, что из аустенита концентрации т. S (0,8% С) обра-зуется механическая смесь двух фаз – феррита концентрации т. Р (0,02% С) и цементита: А – Ф_р + Ц.

Механическая эвтектоидная смесь носит название «перлит» и имеет содержание углерода 0,8%. Как правило, в равновесном состоянии в сталях перлит имеет пластинчатое строение (чередующиеся пластины феррита и цементита). Эвтектоидное превращение идет с остановкой температуры до исчезновения аустенита (рис. 6.8, сплав 1, т, 11′). Наиболее характерно образование эвтектоидной смеси перлита для сталей. Стали даже получили деление на эвтектоидные, доэвтектоидные и заэвтектоидные.

В заэвтектической стали (рис. 6.8, сплав 3) из аустенита первоначально выделяется цементит, называемый вторичным – Ц_ΙΙ, обедняя аустенит по углероду, концентрация которого по мере охлаждения аустенита приближается к концентрации т. S. Далее, аустенит превращается в эвтектоидную смесь – перлит по известной схеме. В результате структура заэвтектоидной стали представляет собой перлит и цементит вторичный (П + Ц_ΙΙ ). Отличительной особенностью является то, что Ц_ΙΙ выделяется в виде сетки по границам зерна аустенита на месте которого может возникнуть в последующем несколько зёрен перлита. Отсюда и структура заэвтектоидной стали при температуре менее 727 °С: зёрна перлита и сетка Ц_ΙΙ, окаймляющего одно или несколько зёрен перлита пластинчатого.

Как ранее было отмечено, в технически чистом железе находится не более 0,02% С, что и определяет специфику формирования его структуры. Из диаграммы Fe – Fe₃C видно (рис. 6.9), что эвтектоидного превращения для такого рода сплавов не происходит. Из аустенита при охлаждении начинает выделяться феррит (сплав I, т.1–2; сплав II, т.3–4). Разница феррита и сплавов только в количестве растворенного углерода. Если углерода менее 0,01%, то структура феррита остаётся неизменной вплоть до комнатной температуры. Если же углерода более 0,01% и до 0,02%, то при пересечении при охлаждении линии PQ растворимость углерода в феррите падает (рис. 6.9, сплав II) и углерод выделяется по границам зёрен феррита в виде включений Ц_ΙΙΙ (цементита третичного).

Рис. 6.9. Ферритная область диаграммы Fe – Fe₃C

Процесс выделения Ц_ΙΙΙ из феррита характерен для всех железоуглеродистых сплавов, имеющих в структуре феррит, просто его уловить в других структурах практически невозможно вследствие его объединения с другими видами цементита.

Источник