Строение железоуглеродистых сплавов

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Методические указания к практическим занятиям и выполнению контрольной работы

Факультет: инженерно-строительный

Специальность: 270102 – промышленное и гражданское строительство

Направление: 270100 - строительство

Вологда

СТРОЕНИЕ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ.

ДИАГРАММА Fe – Fe₃C

К железоуглеродистым сплавам относят сталь и чугун. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, являются железо и углерод.

Железо может находиться в двух аллотропических формах – α и γ. Железо с углеродом образуют твердые растворы внедрения и химическое соединение. α-железо растворяет очень мало углерода (до 0,02% при 727⁰С). твердый раствор углерода и других элементов в α-железе называется ферритом. Феррит имеет низкую твердость и прочность: НВ 80; σ_В=250 Мпа (25 кгс/мм²) и высокую пластичность (δ=50%; φ=80%). γ-железо растворяет значительно большее количество углерода – до 2,14% при 1147⁰С. твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе называется аустенитом. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Аустенит пластичен, твердость его НВ 160 – 200, δ=40 ч 50%.

Железо с углеродом также образуют химическое соединение Fe₃С, называемое цементитом, или карбидом железа. В цементите содержится 6,67% С; он имеет высокую твердость (~НВ 800), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

Диаграммой состояния – называется графическое изображение, показывающие фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от t⁰С и химической концентрации компонентов в условиях равновесия.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела при переходе через которую свойства сплава меняются скачкообразно.

Диаграмма используется:

- для определения видов и температурных интервалов термической обработки стали;

- для назначения температурного интервала при обработке давлением;

- для определения температуры плавления и заливки сплава и его литейных

свойств.

Диаграмма состояния Fe - Fe₃С (в упрощенном виде) приведена на рис.20; на этой диаграмме точка А (1539⁰С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (1600⁰С) – температуре плавления (затвердевания) цементита. Линия ACD – линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и чугунов. Линия AECF – линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).

Рис. 1. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C (в упрощенном виде)

По линии ликвидуса АС (при температурах, соответствующих линии АС) и жидкого сплава кристаллизируется аустенит, а по линии ликвидуса CD – цементит, называемый первичным цементитом.

В точке С при 1147⁰С и содержании 4,3% С из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. По линии солидуса АЕ сплавы с содержанием до 2,14% С окончательно затвердевают с образованием аустенита. По линии солидуса ЕС (1147⁰С) сплавы с содержанием 2,14 – 4,3% С окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит + ледебурит. По линии солидуса CF (1147⁰С) сплавы с содержанием 4,3 – 6,67% С окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру – первичный цементит + ледебурит.

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием до 2,14% С образуется однофазная структура – аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями. Следовательно, сталь – это железоуглеродистые сплавы с содержанием до 2,14% С. Сплавы с содержанием более 2,14% С, в которых при кристаллизации образуется ледебурит, называют чугунами. Следовательно, чугун – это железоуглеродистые сплавы с содержанием более 2,14% С. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSE, PSK, PQ. Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Критические точки, лежащие на линии GS, обозначают А₃ (при нагревании Ас₃, а при охлаждении Аr₃). Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147⁰С в аустените может раствориться 2,14% С, а при 727⁰С – 0,8% С. с понижением температуры из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Критические точки, лежащие на линии SE, обозначают Аm. В чугунах с содержанием 2,14 – 4,3% С при 1147⁰С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже выделяется вторичный цементит.

Линия PSK (727⁰С) – линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распределяется, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом (~НВ 200). Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначают А₁ (при нагреве Ас₁, а при охлаждении Аr₁).

Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727⁰С до 0.006% при комнатной температуре. При охлаждении ниже 727⁰С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным.

Ниже 727⁰С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры. Стали, содержащие менее 0.8% С – феррит + перлит, называют доэвтектоидными сталями (рис.21). Стали с содержанием 0.8% С – перлит, называют эвтектоидными сталями. Стали с содержанием 0.8 – 2.14% С – перлит и цементит (вторичный ), называют заэвтектоидными сталями.

Рисунок 2 - Микроструктура стали и чугуна

а – доэвтектоидная сталь – феррит (светлые участки) и перлит (темные участки), x 500; б – эвтектоидная сталь – перлит, x 1000; в – заэвтектоидная сталь – перлит и цементит (в виде сетки), x 200; г – доэвтектический чугун – перлит (темные участки) и ледебурит, x 500; д – эвтектический чугун – ледебурит, x 1000; е – заэвтектический чугун – цементит (светлые пластины) и ледебурит, x 500.

Белые чугуны с содержанием 2.14 – 4.3% С – перлит + цементит (вторичный) + ледебурит, называют доэвтектоидными цугунами (вторичный цементит структурно не обнаруживается, так как объединяется с цементитом ледебурита).

Белый чугун с содержанием 4.3% С – ледебурит, называют эвтектичным чугуном.

Белый чугун с содержанием 4.3 – 6.67% С – цементит (первичный) + ледебурит, называют заэвтектическими чугунами.