Železov-ogljikov diagram. Diagram stanja sistema železo-ogljika

Težko si je predstavljati sodobno gradnjo, stroje, inženiring in druge pomembne industrijske panoge brez uporabe kovinskih zlitin iz jekla in litega železa. Njihova proizvodnja v več desetkrat presega vse ostale.

Če menimo, da je jekla in litega železa z vidika takšne znanosti kot metalurgije, je osrednja slika diagram stanja železovogljikovih zlitin, kar nam daje podrobno predstavo o sestavi in ​​strukturnih preobrazbah v teh materialih. In tudi seznaniti s svojo fazno sestavo.

Zgodovina odkritja

Prvič, v zlitinah (jekla in litega železa) obstajajo določeni (posebni) točki, poudaril velik metalurg in izumitelj - Dmitry K. Chernov (1868). Bil je tisti, ki je naredil pomembno odkritje o polimorfnih transformacijah in je eden izmed ustvarjalcev diagrama stanja železo-ogljika. Po mnenju Chernova je položaj teh točk na diagramu neposredno odvisen od odstotka ogljika.

In kar je najbolj zanimivo, je od trenutka tega odkritja, da se takšna znanost kot metalografija začne z življenjem.

Diagram zlitin železa z ogljikom je rezultat krutega dela znanstvenikov iz več držav sveta. Vse abecedne oznake glavnih točk in faz v diagramu so mednarodne.

Koncept diagrama

Grafična predstavitev procesov, ki se pojavljajo v zlitini, ko se spremeni temperaturni režim, koncentracija snovi, tlak, se imenuje diagram stanja. Omogoča vam, da vizualno in vizualno vidite vse transformacije, ki se pojavljajo v zlitinah.

Elementi železno-ogljikovega diagrama

Kratke informacije o vsakem od teh elementov.

Iron je srebrno siva kovina. Specifična teža - 7, 86 g / cm3. Tališče je 1539 ° C.

Ko interakcije železa in drugih kovin nastanejo spojine, se imenujejo nadomestne raztopine. Če z nekovinami, na primer z ogljikom ali vodikom, potem - rešitve implantacije.

Železo ima sposobnost, ki je prvotno trdna, da je v več državah, ki se v kovinski znanosti običajno imenujejo "alfa" in "gama". Ta kakovost se imenuje polimorfizem. O tem kasneje v članku.

Ogljik je nekovinski. Če se pojavi kot grafit, je tališče 3500 ° C. Če je tako diamant 5000 ° C. Gostota ogljika je 2,5 g / cm³. Ima tudi polimorfne lastnosti.

V železno-ogljikovih zlitinah ta element tvori trdno raztopino, v sestavi katere je ferrum, imenovan cementit (Fe₃C). Prav tako oblikuje grafit v litem železu.

Diagram železo-ogljikove zlitine

Kot rezultat interakcije sestavnih diagramov med seboj dobimo cementit - kemično spojino.

Praviloma pri proučevanju diagrama s strani kovinskih študentov štejejo vse stabilne povezave kot komponente, grafična slika pa se preučuje v delih.

Tudi v razredu je prikazana krivulja hlajenja na diagramu železo-ogljika: izbran je odstotek ogljika, nato pa je treba določiti, katera faza ustreza temperaturi v diagramu.

Če želite to narediti, poleg samega diagrama potegnite koordinatni sistem (temperatura-čas). In začenši z največjimi stopnjami, se postopoma pomika navzdol, ki prikazuje krivuljo in dele prehoda ene faze v drugo. V tem primeru jih je treba poklicati in navesti vrsto kristalne rešetke.

Nato podrobneje preučimo grafično predstavitev diagrama stanja železo-ogljika.

Prvič, ima dve obliki (deli):

• železov cementit;
• železov grafit.

Drugič, zlitine, v katerih so glavni "akterji" ferrum in ogljik, so običajno razdeljeni na:

• jeklo;
• litega likalnika.

Če je ogljik v zlitini manjši ali enak 2,14% (točka E na sliki), je to jeklo, če je več kot 2,14% litega železa. Zaradi tega je diagram razdeljen na dve fazi.

Polimorfne transformacije

Več o vsaki fazi nekoliko kasneje v članku. In na kratko, izvedba glavnih transformacij nastopi pri določenih temperaturah.

Stanje železa je označeno kot alfa ferrum (pri temperaturi manj kot 911 ° C). Kristalna mreža je kocka s središčem, ki je osredotočena na prostornino. Ali BCC. Razdalja med atomi takšne rešetke je precej visoka.

Železo pridobi gama modifikacijo, to pomeni, da je označena kot gama-ferrum (911-1392 ° C). Kristalna mreža je kocka, osredotočena na obraz (fcc). V tej rešetki je razdalja med atomi nižja kot v BCC.

V prehodu alfa - ferrum v gama - ferrum, volumen snovi postane manjši. Razlog za to je kristalna mreža - njegova oblika. Ker ima fcc mreža bolj urejeno stanje atomov kot BCC.

Če je prehod v nasprotni smeri - od gama - ferrum v alfa-ferrum, volumen zlitine se poveča.

Ko temperatura doseže 1392 ° C (vendar manj kot tališče železa 1539 ° C), potem alfa ferrum se pretvori v delta - ferrum, toda to ni nova oblika, ampak samo vrsta. Poleg tega delta - ferrum je nestabilna struktura.

Lastnosti tehnično čistega železa

Magnetne lastnosti železa pri različnih temperaturah:

• manj kot 768 ° C - feromagnetni;
• več kot 768 ° C - paramagnetno.

Temperaturna točka 768 ° C se imenuje magnetna točka preusmeritve ali točka Curie.

Lastnosti tehnično čistega železa:

• trdota - 80 HB;
• začasni upor 250 MPa;
• izkoristek - 120 MPa;
• raztezek 50%;
• relativno zoženje - 80%;
• visok modul elastičnosti.

Železov karbid

Grafični prikaz sestavnega dela diagrama železo-ogljika: Fe3C. Snov se imenuje železov karbid ali cementit. Zanj je značilna:

1. Vsebnost ogljika je 6,67%.
2. Specifična teža je 7,82%.
3. Kristalna mreža ima rombično obliko, ki jo sestavljajo oktahedra.
4. Taljenje se pojavi pri temperaturi asimpt-1260 ° C
5. Nizke feromagnetne lastnosti pri nizki temperaturi.
6. Trdota je 800 HB.
7. Plastičnost je praktično nič.
8. Železov karbid tvori trdne substitucijske raztopine, v katerih se atome ogljika nadomestijo z nemetalnimi atomi (dušik) in atomi železa s kovinami (krom, volfram, mangan). Ta trdna sestava se imenuje legirana.

Kot je bilo že omenjeno, je cementit nestabilna faza, grafit pa stabilen. Ker je prva snov nestabilna spojina, ki se razgrajuje pod določenimi temperaturnimi pogoji.

V diagramu železo-ogljika obstajajo takšna stanja:

• tekoča faza;
• ferit;
• austenit;
• cementit;
• grafit;
• perlit;
• ledeburit.

Vsaka od njih podrobneje razmislimo.

Tekoča faza

Ferrum v tekočem stanju dobro raztopi ogljik. To je ne glede na delež, v katerem so v odstotkih. Posledično se tvori homogena tekoča masa.

Ferit

Je trdna raztopina vključevanja ogljika v alfa ferrum. Vključena je lahko tudi majhna količina nečistoč. Toda ferit ima skoraj enake lastnosti kot čisto železo. Če upoštevamo strukturo pod mikroskopom, lahko vidimo poliedrno svetlobno tonsko zrno.

To se zgodi:

• nizka temperatura (pri temperaturi 727 ° C, topnost ogljika je 0,02%);
• visokotemperaturno (pri 1499 ° C topnost ogljika 0,1%) ali pa se imenuje delta - ferrum.

Lastnosti ferita:

• trdota - 80-120 HB;
• začasni upor 300 MPa;
• raztezek je 50%;
• ima dobre magnetne lastnosti (do temperature 768 ° C).

Austenit

To je trdna rešitev vključevanja ogljika v gama - ferrum. Morda je tudi majhna količina nečistoč. V kristalni rešetki je ogljik v središču fcc celice. Ko upoštevamo strukturo avstenita pod mikroskopom, jo ​​vidimo kot lahke zrnce polihedralne oblike z dvojčki.

Ima naslednje značilnosti:

1. Topnost ogljika v gama-ferrum 2,14% (pri temperaturi 1147 ° C).
2. Trdota austenita 180 NM;
3. Raztezek - 40-50%;
4. Dobre paramagnetne lastnosti.

Cementit in njegove oblike

Prisotni v takšnih fazah: C1, C2, C3 (primarni, sekundarni in terciarni cementit).

Kar zadeva fizikalno-kemijske parametre teh treh držav, so približno enaki. Na mehanske lastnosti vpliva velikost delcev, njihovo število in lokacija.

Tudi po diagramu je jasno, da:

• U1 se tvori iz tekočega stanja (pod mikroskopom je videti kot velika plošča);
• C2 - iz austenita (se usede okoli njenih zrn v obliki mreže);
• C3 - iz ferita (nahaja se na mejah feritnih zrn v obliki drobnih delcev).

Perlit in ledeburit

Mešanica ferita in cementita se imenuje perlit. Nastane med razpadom austenita (pri temperaturi manj kot 727 ° C). Ko je povečana, ima ta struktura obliko plošč ali zrn.

Perlit s postopnim zniževanjem temperature je prisoten v vseh zlitinah z vsebnostjo ogljika 0,02-6,67%.

Ledeburit je mešanica austenita in cementita. Nastane iz tekoče faze pri hlajenju na temperaturo pod 1147 ° C.

Litoželezni

Zlitine v diagramu železo-ogljika, ki vsebujejo ogljik več kot 2,14%, imenujemo litoželeza. So zelo krhki. Presek takšnega litega železa ima svetlobni ton, zato ga imenujemo belo železo.

V diagramu je to točka C, ki se imenuje eutektična, z ustrezno vsebnostjo ogljika 4,3%. Med kristalizacijo se tvori mešanica, ki jo sestavljajo austenit in cementit, ki se skupaj imenujejo ledeburit. Sestava faze je konstantna.

Pri koncentraciji ogljika, manjšem od 4,3% (predhodno evtektično lito železo), se med kristalizacijo precipitira avstenit. Potem se od njega dodeli Ts2. In pri 727 ° C se avstenit spremeni v perlit. Strukturno stanje takega litega železa je naslednje: velika področja temnega perlita.

V hipereutektiki belo lito železo (ogljik več kot 4,3%) ob hlajenju, strukturiranje poteka s tvorbo kristalov CI. Nadaljnje transformacije so že izvedene v trdnem stanju. Struktura je ledeburit, ki je ozadje za temna perlitna polja. Veliki stratumi so CI.

Sklepi

Nemogoče je doseči absolutno ravnovesje, fizično in kemično, razen v posebnih laboratorijskih pogojih.

V praksi se ravnovesje lahko približuje absolutnemu, vendar pod določenimi pogoji: dovolj počasno povečanje ali zmanjšanje temperature zlitine, ki se bo dolgo trajalo.