Лекция по материаловедению на тему диаграмма железо-углерод

Задание по дисциплине ОП.08- Материаловедение

Дата занятия: 10.02.2023г.

№ учебной группы: СП-21

ФИО преподавателя: Базаджи Роман Викторович

Тема: Диаграмма железо-углерод

1. Внимательно прочитайте текст и ознакомьтесь с теоретической частью

2. Законспектируйте материал.

3. Ответьте на контрольные вопросы и оформите отчет

Теоретическая часть «Диаграмма железо-углерод»

Диаграмма состояния - это график фазовых состояний в зависимости от концентрации каждого химического элемента и температуры.

Диаграмма железо-углерод - это отображение фазового состояния сплавов железа (Fe) с углеродом (C) 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). Первое представление о диаграмме железо-углерод дал великий металлург и изобретатель — Дмитрий Константинович Чернов, который в 1868 г. отметил существование в стали критических точек и их зависимость от содержания в стали углерода.

По оси ординат обозначены температуры системы.

По оси абцисс - химические составы.

Максимальная температура системы ограничивается температурами плавления компонентов. Выше идёт только жидкость.

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....

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. Всё что дальше вправо - это феррит. Феррит, это твёрдый раствор углерода в альфа железе.

На диаграмме мы видим и сталь, и чугун.

Сталь — это сплав железа (Fe)с углеродом (С), в котором массовая доля углерода(С) составляет до 2,14 % (теоретически). На практике обычно массовая доля углерода(С) составляет 1,3 … 1,5 %.

Чугун — это сплав железа (Fe)с углеродом (С), в котором массовая доля углерода(С) составляет 2,14 … 6,67 % (теоретически). На практике применяются чугуны с массовой долей углерода(С) - 2,5 … 5,0 %.

Фазы на диаграмме

Из диаграммы состояния можно узнать фазовый состав. Тут мы видим следующие фазы.

• Жидкая фаза - которая получается, если всё расплавить. Обращаем внимание, что при разных химических составах мы имеем разные температуры плавления.

• Феррит - это твердый раствор внедрения углерода в альфа железо.

• Аустенит - это твёрдый раствор внедрения углерода в гамма железо.

• Цементит - 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. На этом фазы заканчиваются.

Наверняка возникает вопрос что это за альфа-железо и гамма железо. Это так называемый полиморфизм.

Для ряда металлов характерно явление полиморфизма — способность иметь различные типы кристаллической решетки. Так, при разных температурах, железо может иметь ОЦК или ГЦК решетку. Ниже 910 ºC и выше 1392 ºC устойчиво α-железо с ОЦК-решеткой. В интервале температур 910-1392 ºC устойчиво γ-железо с кристаллической решеткой ГЦК. Химический состав один, а вид кристаллической решетки разный. α-железо имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку, γ-железо имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку.

альфа-железо альфа-железо

Кроме того, при температуре 768 ºC (точка Кюри) происходит магнитное превращение железа. При температуре выше точки Кюри железоуглеродистые сплавы теряют свои магнитные свойства. Температура плавления железа - 1539 ºC.

Структуры на диаграмме

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?

Л - это ледебурит. 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 структура образуется изначально из жидких фаз и представляет собой мелкозернистую механическую смесь двух фаз – аустенита и цементита первичного (А+Ц) при 1147 ⁰С и называется ледебуритом (Л). Эвтектическое превращение идет при постоянной температуре (1147 ⁰С). С — эвтектическая точка.

Эвтектоидная - образуется изначально не из жидких фаз, а из твердых. Эвтектоидная представляет собой мелкодисперсную механическую смесь двух фаз — феррита и цементита вторичного (Ф+Ц) и называется перлитом (П). Эвтектоид образуется при строго определенном количестве углерода в сплаве — 0,8 %. Эвтектоидное превращение (при охлаждении) идет при постоянной температуре (727 ⁰С). S — эвтектоидная точка.

Сплавы на диаграмме:

• до 0,02 % С — техническое железо (феррит);

• до 2,14 % С — углеродистые стали;

• от 0,006 % С до 0,8 % С — доэвтектоидные стали;

• 0,8 % С — эвтектоидная сталь;

• свыше 0,8 % С до 2,14 % С — заэвтектоидные стали;

• от 2,14 % С до 4,3 % С — доэвтектические чугуны;

• 4,3 % С — эвтектический чугун;

• свыше 4,3 % С до 6,67 % С — заэвтектическими чугуны;

• 6,67 % С — цементит.

Что происходит на диаграмме железо-углерод

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.

Если путешествовать по линиям, то видим протекающие процессы.

ABCD - это линия ликвидус. Выше неё только жидкая фаза.

АЕСF — линия солидус. Ниже её только твердая фаза .

РSК — линия эвтектоидного превращения. ЕСF — линия эвтектического превращения.

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.

Характерные точки на диаграмме железо-углеродВ 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.

Практическая работа 4

Тема: Изучение структуры сплавов по диаграмме состояния системы железо-углерод.

Цель работы: Изучить структуры сплавов по диаграмме состояния системы железо-углерод и начуться как пользоваться диаграммой железо-углерод.

Как пользоваться диаграммой железо-углерод

Рассмотрим типичную задачу.

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

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

идим, 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.

Всё что выше - это уже жидкость.

Контрольные вопросы

1. На каких осях на диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов обозначаются концентрация углерода и температура сплава?

2. Дайте определение понятиям «линия солидуса» и «линия ликвидуса».

3. Назовите точку, разделяющую область сталей и чугуна.

4. Перечислите структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

5. Назовите структуру доэвтектического чугуна.

6. Назовите структуру эвтектические сталей.

7. Охарактеризуйте процесс перекристаллизации и расплавления железоуглеродистых сплавов с массовой долей углерода (Номер варианта соответствует номеру студента по журналу).

Список литературы и интернет-ресурса:

Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка): Учеб. пособие. – М. стр.66-70

https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/diagramma-zhelezo-uglerod.html

https://nauka.club/materialovedenie/diagramma-sostoyaniya-splavov-zhelezo-uglerod-s-poyasneniem.html

https://studopedia.net/3_27456_diagramma-sostoyaniya-splavov-zhelezo---uglerod.html