Shema željeza i ugljika. Dijagram stanja sustava željeza i ugljika

Teško je zamisliti suvremenu gradnju,strojevima i ostalim važnim industrijama bez korištenja glavnih legura metala čelika i lijevanog željeza. Njihova proizvodnja premašuje svih drugih desetaka puta.

Ako uzmemo u obzir čelik i lijevanog željeza u smislukao znanost kao metalna znanost, središnja slika je dijagram stanja željezno-ugljičnih legura, što nam omogućava da dobijemo detaljne ideje o sastavu i strukturnim transformacijama u tim materijalima. Također se upoznaju sa svojom faznom sastavu.

Povijest otkrića

Prvi put da su u legurama (čelici i lijevane željeznice)postoje određene (posebne) točke, istaknuo je veliki metalurg i izumitelj - Dmitrij Konstantinovich Chernov (1868). Bio je to koji je napravio važan otkriće o polimorfnim transformacijama i jedan je od stvoritelja dijagrama stanja željeza i ugljika. Prema Chernovu, položaj ovih točaka na dijagramu izravno ovisi o postotku ugljika.

I ono što je najzanimljivije, od trenutka ovog otkrića počinje zanemariti takva znanost kao metalografija.

Dijagram legura željeza s ugljikom rezultat je mukotrpnog rada znanstvenika iz nekoliko zemalja svijeta. Sve alfabetske oznake glavnih točaka i faza u dijagramu su međunarodne.

Koncept dijagrama

Grafički prikaz procesa koji se odvijaju ulegura s promjenom u temperaturnom režimu, koncentracija tvari, tlak, naziva se dijagram stanja. Omogućuje vam da vizualno i vizualno vidite sve transformacije koje se javljaju u legurama.

Elementi dijagrama željeza-ugljika

Kratke informacije o svakom od ovih elemenata.

Željezo je srebrno sivi metal. Specifična težina - 7, 86 g / cm3. Ima talište od 1539 ° C.

Interakcija željeza i ostalih metala proizvodi spojeve koji se nazivaju supstitucijskim otopinama. Ako je s nekmetalima, na primjer s ugljikom ili vodikom, onda - s implantacijskim otopinama.

Željezo ima sposobnost, budući da je izvornočvrsta, biti u nekoliko država, koji se nazivaju "alfa" i "gama" u metalurgiji. Ta se kvaliteta zove polimorfizam. O ovom kasnije u članku.

Karbon je nemetal. Ako djeluje kao grafit, točka taljenja je jednaka 3500 ° C.³, Također ima polimorfna svojstva.

U legurama od željeza i ugljika, taj element stvara čvrstu otopinu koja sadrži ferrum, nazvan cementit (Fe₃C). Također oblikuje grafit u lijevano željezo.

Shema željeza-ugljik legure

Kao rezultat međusobnog djelovanja dijelova dijagrama, ispada se cementit - kemijski spoj.

U pravilu, kada proučavaju dijagram metalnih studenata, svi se stabilni spojevi smatraju sastavnicama, a sama grafička slika ispituje se u dijelovima.

Također u učionici, krivulja hlađenja konstruirana je prema dijagramu željezo-ugljik: odabire se postotak ugljika, a zatim je potrebno odrediti koja faza odgovara temperaturi u dijagramu.

Da biste to učinili, osim samog dijagramanacrtati koordinatni sustav (vrijeme temperature). I počevši od maksimalnih stupnjeva, pomaknite se postupno prema dolje, prikazujući krivulju i područja prijelaza iz jedne faze u drugu. Potrebno ih je nazvati i naznačiti vrstu kristalne rešetke.

Zatim ćemo detaljnije razmotriti grafičku sliku dijagrama stanja željeza i ugljika.

Prvo, ima dva oblika (dijelovi):

• željezni cementit;
• željezni grafit.

Drugo, legure, u kojima su glavni "glumci" ferrum i ugljik, konvencionalno su podijeljeni na:

• čelika;
• od lijevanog željeza.

Ako je ugljik u leguri manji ili jednak 2,14% (točka E u dijagramu), tada je čelik, ako je više od 2,14%, od lijevanog željeza. Zbog toga je dijagram podijeljen u dvije faze.

Polimorfne transformacije

Više pojedinosti o svakoj fazi ispod u članku. Ukratko, provedba glavnih transformacija događa se na posebnim temperaturama.

Stanje željeza označeno je kao α-ferrum (pri temperaturi manjoj od 911 ° C). Kristalna rešetka je volumetrijska kocka usmjerena na lice. Ili bcc. Udaljenost između atoma takve rešetke je prilično visoka.

Željezo dobiva gama modifikaciju, tj. Označava se kao γ-ferrum (911-1392 ° C). Kristalna rešetka je kocka usmjerena na lice (FCC). U ovoj rešetki, udaljenost između atoma je niža nego u BCC.

U prijelazu α-ferrum u γ-ferrumu volumen tvarisve manje. Razlog za to je kristalna rešetka - njegov izgled. Budući da fc rešetka ima više naredio stanje atoma nego BCC.

Ako se prijelaz provodi u suprotnom smjeru - od γ-ferruma do α-ferruma, povećava se volumen legure.

Kada temperatura dosegne 1392 ° C (alimanje od točke topljenja željeza 1539 ° C), tada α-ferrum pretvara u δ-ferrum, ali to nije njen novi oblik, već samo raznolikost. Osim toga, δ-ferrum je nestabilna struktura.

Svojstva tehnički čistog željeza

Magnetska svojstva željeza na različitim temperaturama:

• manje od 768 ° C - feromagnetski;
• više od 768 ° C - paramagnetsko.

Temperatura točke od 768 ° C naziva se točkom magnetske transformacije, ili Curie točke.

Svojstva tehnički čistog željeza:

• tvrdoća - 80 HB;
• privremeni otpor - 250 MPa;
• snaga prinosa - 120 MPa;
• relativno rastezanje od 50%;
• relativno sužavanje - 80%;
• visoki modul elastičnosti.

Željezni karbid

Grafički prikaz sastavnog dijela dijagrama željezo-ugljik: Fe3C. Tvar se naziva željezni karbid ili cementit. To je tipično za njega:

1. Sadržaj ugljika od 6,67%.
2. Specificna težina - 7,82%.
3. Kristalna rešetka ima rombasti oblik, koji se sastoji od oktaedra.
4. Taloženje se događa pri temperaturi od ≈1260 ° C.
5. Niska feromagnetska svojstva pri niskim temperaturama.
6. Tvrdoća - 800 HB.
7. Plastičnost je gotovo nula.
8. Željezo karbid čini čvrste otopine.supstitucije u kojima su atomi ugljika zamijenjeni nemateralnim atomima (dušikom) i željezni atomi - metali (krom, volfram, mangan). Ovaj čvrsti pripravak naziva se legirani.

Kao što je gore navedeno, cementit jenestabilna faza i stabilna grafit. Budući da je prva supstanca nestabilan spoj, razgrađuje se pod određenim temperaturnim uvjetima.

U dijagramu željezo-ugljik postoje takvi stanja:

• tekuća faza;
• feritni;
• austenit;
• cementita;
• grafita;
• perlit;
• Ledebour.

Razmotrite svaki od njih detaljno.

Tekuća faza

Ferrum u tekućem stanju otapa ugljik dobro. To je bez obzira na razinu koju čine u postotnom sadržaju. Rezultat je homogena tekuća masa.

ferit

Je čvrsta otopina koja uvodi ugljik ua-Ferrum. Mala količina nečistoća također može biti uključena. Ali ferit ima gotovo istu kvalitetu kao čisti željezo. Ako pregledamo strukturu pod mikroskopom, onda možemo vidjeti poliedrijske zrnce svjetlosnog tona.

To se događa:

• niske temperature (pri temperaturi od 727 ° C, topivost ugljika iznosi 0,02%);
• visoke temperature (na 1499 ° C, topivost ugljika je 0.1%), ili se zove δ-ferrum.

Feritna svojstva:

• tvrdoća - 80-120 HB;
• privremeni otpor - 300 MPa;
• relativno produljenje - 50%;
• ima dobra magnetska svojstva (do temperature od 768 ° C).

austenita

To je čvrsta otopina koja uvodi ugljik uy-Ferrum. Također može biti u maloj količini nečistoće. U kristalnoj rešetki ugljik je u središtu fcc stanice. Prilikom ispitivanja strukture austenita pod mikroskopom, vidljivo je kao svjetlo zrnce poliedrijskog oblika s blizancima.

Ima sljedeće karakteristike:

1. Topljivost ugljika u y-ferrumu je 2,14% (pri temperaturi od 1147 ° C).
2. Tvrdoća austenita 180;
3. Produljenje - 40-50%;
4. Dobra paramagnetska kvaliteta.

Cement i njegovi oblici

Prisutan u slijedećim fazama: C1, C2, C3 (primarni, sekundarni i tercijarni cementit).

Što se tiče fizikalno-kemijskih pokazatelja ovih tri stanja, oni su otprilike jednaki. Mehanička svojstva utječu veličina čestica, njihov broj i položaj.

Na dijagramu se također može vidjeti:

• C1 je formiran iz tekućeg stanja (pod mikroskopom, vidljivo je kao ploča velike veličine);
• C2 - od austenita (nalazi se oko zrnaca u obliku rešetke);
• C3 - od ferita (nalazi se na granicama feritnih zrna u obliku malih čestica).

Perlit i Ledeburite

Mješavina ferita i cementita naziva se perlit. Nastaje pri raspadanju austenita (pri temperaturi manjoj od 727 ° C). Kad je povećana, ta je struktura u obliku ploča ili žitarica.

Perlit s postupnim padom temperature prisutan je u svim legurama sa sadržajem ugljika od 0,02-6,67%.

Ledeburite - mješavina austenita i cementita. Nastala je iz tekuće faze kada se ohladi na temperaturu ispod 1147 ° C

Lijevano željezo

Slitine na dijagramu željeza i ugljikasadrže ugljik više od 2,14%, nazvanog lijevano željezo. Vrlo su krhki. Presjek takvog lijevanog željeza ima svjetlosni ton i stoga se naziva bijelo lijevano željezo.

U dijagramu, ovo je točka C, nazvana eutektik,s odgovarajućim sadržajem ugljika od 4,3%. Kada kristalizacija tvori smjesu koja se sastoji od austenita i cementita, zajednički nazivaju ledeburit. Sastav faze je konstantan.

Kada je koncentracija ugljika manja od 4.3%(hypoeutectic cast iron) tijekom kristalizacije austenit se oslobađa iz otopine. Nadalje, ističe se C2. A na 727 ° C, austenit se pretvara u perlit. Strukturno stanje takvog lijevanog željeza je kako slijedi: veliki dijelovi tamnog tona pearlite.

U hipereutektnom bijelom lijevano željezo (ugljik više4.3%) nakon hlađenja, strukturiranje nastaje stvaranjem kristala C1. Daljnje transformacije se provode već u krutom stanju. Struktura je ledeburite, što je pozadina za tamne boje perlita polja. I veliki slojevi su C1.

nalazi

Da bi se postigla apsolutna ravnoteža, i fizička i kemijska, nemoguće je, osim u posebnim laboratorijskim uvjetima.

U praksi, ravnoteža se može aproksimirati naapsolutno, ali pod određenim uvjetima: prilično polagano podizanje ili snižavanje temperature legure, koja će se održavati dulje vrijeme.