Инженерная графика
Физика
Атомные станции
Строймех
ТКМ
Начертательная геометрия
Экология энергетики
Сопромат
Готика
Черчение
Теплотехника
Математика

Театр

Конспект лекций
Атомная энергетика
Карта

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие.

1 Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02 % при 727 °С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50 %; ψ=80 %). До температуры 768 °С является сильным ферромагнетиком, хорошо проводит электрический ток и тепло.

2 Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147 °С и 0,8 % - при 727 °С. Эта температура является нижней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пластичен (δ = 40-50 %). Аустенит менее пластичен, является парамагнетиком, хуже проводит электрический ток и тепло, чем феррит.

3 Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ-800), хрупок и практически не обладает пластичностью, поэтому он способен только к небольшим упругим деформациям. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe3C→3Fe+C.

Различают цементит Ц первичный ЦI – кристаллизуется непосредственно из жидкого раствора, вторичный ЦII – продукт распада аустенита и третичный ЦIII – продукт распада феррита.

4 Графит - это свободный углерод, мягок (НВ-3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной, хлопьевидной). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.

5 Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид, т.е. подобный эвтектике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. При остывании А до 727 °С содержание в нем углерода становится равным 0,8 %.

Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σв = 800 МПа; относительное удлинение δ =15 %; твердость НВ 160. Перлит образуется следующим образом. Пластинка (глобула) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неметаллическое включение. При этом соседние области объединяются углеродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образованию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

Перлит образуется как в сталях, так и в чугунах и играет важную роль в формировании их механических характеристик.

6 Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3 % углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147 °С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727 °С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727 "С ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь перлита с цементитом. Ледебурит – твердая и хрупкая составляющая чугунов.

Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды — соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые структурные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950 °С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5—0,7 % фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна.

В диаграмме состояния железо — цементит (Fe—Fe3C) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их структурах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной температуры. Диаграмма показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14 % называют сталью, а от 2,14до 6,67 % — чугуном. Диаграмма состояния Fe—Fe3C представлена в упрощенном виде на рисунке 7.8.

А — аустенит, П — перлит, Л — ледебурит, Ф — феррит,

Ц — цементит

Рисунок 7.8 - Диаграмма состояния железо — цементит

Первичная кристаллизация, т.е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539 °С плавления (затвердевания) железа, точка D - температуре ~ 1600 °С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса АЕСР соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидко­го сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD — цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147 °С и содержании углерода 4,3 % из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику — ледебурит. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 % окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14—4,3 % С — аустенита, а в интервале 4,3—6,67 % С цементита первичного.

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14 %, т.е. в сталях, образуется однофазная структура — аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14 %, т.е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и ОРQ. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита.

В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линии GS, и цементита, называемого вторичным, при температурах, соответствующих лини и SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделявшегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже линии GР существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до температур, соответствующих линии PQ , из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727 °С до 0,005 % при комнатной температуре.

В точке S при содержании 0,8 % углерода и температуре 727 °С весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита—перлит. Сталь, содержащую 0,8 % углерода, называют эвтектоидной (рисунок 7.9, б). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % углерода называют доэвтектоидными (рисунок 7.10, а), а от 0,8 до 2,14 % углерода - заэвтектоидными (рисунок 7.9, в).

При температурах, соответствующих линии PSK, происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения.

а - доэвтектоидная сталь - феррит (светлые участки) и перлит (темные участки) при 500х увеличении, б — эвтектоидная сталь — перлит (1000х), в — заэвтектоидная сталь - перлит и цементит в виде сетки (200х)

Рисунок 7.9 – Микроструктура стали

При температурах, соответствующих линии SE, аустенит насыщен углеродом, и при понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного). Вертикaль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химический состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что существенно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристаллизации из жидкости.

Белый чугун, содержащий 4,3 % углерода, называют эвтектическим (рисунок 7.10). Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3 % углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67 % углерода — заэвтектическими.

а — доэвтектический чугун — перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), б—эвтектический чугун —ледебурит (смесь перлита и цементита), в - заэвтектический чугун - цементит (светлые пластины) и ледебурит

Рисунок 7.10 – Микроструктура белого чугуна при 500х увеличении

По достижении температуры 727 °С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом доэвтектоидного состава (0,8 % углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит + цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем меньше в нем перлита и больше ледебурита.

Белый эвтектический чугун (4,3 % углерода) при температурах ниже 727 °С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, содержащий более 4,3 % углерода, после окончательного охлаждения состоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит превращается в перлит, т.е. ледебурит при комнатной температуре представляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости. Диаграмма состояния железо — цементит имеет большое практическое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов термической обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.


Электротехнические материалы