Schéma železo-uhlík. Schéma stavu systému železa a uhlíku

Je obtížné si představit moderní stavby, strojírenství, strojírenství a další důležité průmyslové odvětví bez použití hlavních kovových slitin z oceli a litiny. Jejich výroba převyšuje všechny desítky časů.

Pokud vezmeme v úvahu oceli a litiny v oblasti vědy, jako je metalografii, hlavní postava objeví železo-uhlík fázový diagram, který poskytuje podrobné znázornění složení a strukturální transformací v těchto materiálech. A také seznámit se s jejich fázovým složením.

Historie objevu

Poprvé v slitinách (ocelí a litinách) existují určité (zvláštní) body, poukázal na velkého metalurga a vynálezce - Dmitry K. Červnov (1868). Byl to ten, kdo učinil důležitý objev o polymorfních transformacích a je jedním z tvůrců schématu stavu železa a uhlíku. Podle Černova je pozice těchto bodů na diagramu přímo závislá na procentu uhlíku.

A co je nejzajímavější, je od okamžiku tohoto objevu, že taková věda jako metalografie začíná svůj život.

Schéma slitin železa s uhlíkem je výsledkem ustálené práce vědců z několika zemí světa. Všechna abecední označení hlavních bodů a fází v diagramu jsou mezinárodní.

Koncept schématu

Grafické znázornění procesů vyskytujících se ve slitině při změně teplotního režimu, koncentrace látek a tlaku se nazývá stavový diagram. Umožňuje vizuálně a vizuálně zobrazit všechny transformace vyskytující se ve slitinách.

Prvky schématu železo-uhlík

Stručné informace o každém z těchto prvků.

Železo je stříbřitě šedý kov. Specifická hmotnost - 7, 86 g / cm3. Má teplotu tání 1539 ° C.

Když se železo a jiné kovy vzájemně ovlivňují, vytvářejí se sloučeniny nazvané substituční roztoky. Pokud s nekovy, například s uhlíkem nebo vodíkem, pak - řešení implantace.

Železo má schopnost, zpočátku pevnou, být v několika státech, které se ve vědě o kovu běžně nazývají "alfa" a "gamma". Tato kvalita se nazývá polymorfismus. O tom později v článku.

Uhlík je nekovový. Pokud se objeví jako grafit, pak je teplota tání 3500 ° C. Je-li oba diamant 5000 ° C. Hustota uhlíku je 2,5 g / cm³. Má také polymorfní vlastnosti.

V slitinách železa a uhlíku tvoří tento prvek pevný roztok, jehož složení je ferrum nazývaný cementite (Fe₃C). Také tvoří grafit v litině.

Schéma slitiny železa a uhlíku

Výsledkem vzájemného působení vzájemných diagramů je získání cementitu - chemické sloučeniny.

Zpravidla se při studiu schématu od studentů kovů považují všechny stabilní vazby za součásti a samotný grafický obraz se zkoumá částečně.

Také v třídách sestavení ochlazovací křivky z železo-uhlík schématu: výběr procento uhlíku, a pak se musí určit, které fáze odpovídá teplotě v diagramu.

Chcete-li to provést, navíc k samotnému diagramu nakreslete souřadnicový systém (teplota-čas). Počínaje maximálním stupněm, postupujte postupně směrem dolů a zobrazte křivku a části přechodu z jedné fáze do druhé. V tomto případě je nutné je volat a označit typ krystalové mřížky.

Dále uvažujme podrobněji grafické znázornění diagramu stavu železa a uhlíku.

Nejprve má dvě formy (části):

• železo-cementit;
• železo-grafit.

Za druhé, slitiny, ve kterých jsou hlavními "herci" ferrum a uhlík, jsou obvykle rozděleny do:

• oceli;
• žehličky.

Pokud je uhlík ve slitině menší než nebo rovný 2,14% (bod E ve schématu), pak je to ocel, jestliže více než 2,14% je litina. Z tohoto důvodu je diagram rozdělen do dvou fází.

Polymorfní transformace

Více o každé fázi o něco později v článku. Stručně řečeno, realizace hlavních transformací nastává při specifických teplotách.

Stav železa je označen jako alfa - ferrum (při teplotě nižší než 911 ° C). Křišťálová mřížka je objemová krychle orientovaná na obličej. Nebo BCC. Vzdálenost mezi atomy takové mřížky je poměrně vysoká.

Železo získá gama modifikaci, tj. Je označeno jako gama-ferrum (911-1392 ° C). Křišťálová mřížka je tvář-centrovaná kostka (fcc). V této mřížce je vzdálenost mezi atomy nižší než v bcc.

V přechodu alfa - ferrum in gama-ferrum, objem látky se zmenšuje. Důvodem je krystalová mřížka - její forma. Protože fcc mřížka má více uspořádaný stav atomů než bcc.

Pokud je přechod v opačném směru - od gama - ferrum in alfa-ferrum, objem slitiny se zvyšuje.

Když teplota dosáhne 1392 ° C (ale nižší než teplota tání železa 1539 ° C), pak alfa - ferrum je převeden na delta - ferrum, ale to není jeho nová forma, ale jen druh. Navíc delta - ferrum je nestabilní struktura.

Vlastnosti technicky čistého železa

Magnetické vlastnosti železa při různých teplotách:

• méně než 768 ° C - feromagnetický;
• více než 768 ° C - paramagnetické.

Teplotní bod 768 ° C se nazývá magnetický konverzní bod nebo bod Curie.

Vlastnosti technicky čistého železa:

• tvrdost - 80 HB;
• dočasný odpor 250 MPa;
• mez kluzu - 120 MPa;
• prodloužení o 50%;
• relativní zúžení - 80%;
• vysoký modul pružnosti.

Karbid ze železa

Grafický pohled na součást diagramu železo-uhlík: Fe3C. Látka se nazývá karbid železa nebo cement. Je charakterizován:

1. Obsah uhlíku je 6,67%.
2. Specifická hmotnost je 7,82%.
3. Křišťálová mřížka má kosočtvercový tvar, skládající se z oktaedru.
4. Tavení dochází při teplotě asymp-1260 ° C.
5. Nízké feromagnetické vlastnosti při nízkých teplotách.
6. Tvrdost je 800 HB.
7. Plasticita je prakticky nulová.
8. Karbid železa tvoří pevné substituční roztoky, ve kterých jsou atomy uhlíku nahrazeny nekovovými atomy (dusíkem) a atomy železa kovy (chrom, wolfram, mangan). Tato pevná kompozice se nazývá legovaná.

Jak bylo uvedeno výše, cementite je nestabilní fáze a grafit je stabilní. Vzhledem k tomu, že první látka je nestabilní sloučenina, rozkládá se za určitých teplotních podmínek.

Ve schématu železo-uhlík existují takové stavy:

• kapalná fáze;
• ferit;
• austenit;
• cementite;
• grafit;
• perlit;
• ledeburite.

Každou z nich uvažujme podrobně.

Kapalná fáze

Ferrum v kapalném stavu dobře rozpouští uhlík. To je bez ohledu na to, do jaké míry jsou v procentech. V důsledku toho se vytvoří homogenní kapalná hmota.

Ferit

Je pevným roztokem zabudování uhlíku do alfa - ferrum. Může být také zahrnuto malé množství nečistot. Ale ferit má téměř stejné vlastnosti jako čisté železo. Pokud budeme uvažovat o struktuře pod mikroskopem, uvidíme polyhedrální zrnky světelného tónu.

Stává se to:

• nízkoteplotní (při teplotě 727 ° C, rozpustnost uhlíku je 0,02%);
• (při 1499 ° C rozpustnost uhlíku 0,1%), nebo se nazývá delta-ferrum.

Vlastnosti feritu:

• tvrdost - 80-120 HB;
• dočasný odpor 300 MPa;
• prodloužení je 50%;
• má dobré magnetické vlastnosti (až do teploty 768 ° C).

Austenit

Jedná se o pevný roztok inkorporace uhlíku v gama-ferrum. Může také existovat malé množství nečistot. V krystalové mřížce je uhlík ve středu fcc buňky. Při zvážení struktury austenitu pod mikroskopem je vidět jako lehká zrna polyhedrálního tvaru s dvojčaty.

Má následující charakteristiky:

1. Rozpustnost uhlíku v gama-ferrum 2,14% (při teplotě 1147 ° C).
2. Tvrdost austenitu 180 HB;
3. Prodloužení - 40-50%;
4. Dobré paramagnetické vlastnosti.

Cementite a jeho formy

Prezentace v těchto fázích: C 1, C 2, C 3 (primární, sekundární a terciární cementit).

Pokud jde o fyzikálně-chemické parametry těchto tří stavů, jsou přibližně stejné. Mechanické vlastnosti jsou ovlivněny velikostí částic, jejich počtem a polohou.

Podle diagramu je také zřejmé, že:

• U1 je tvořen z kapalného stavu (pod mikroskopem je viděn jako velká deska);
• Z2 - z austenitu (usazování kolem jeho zrna ve formě mřížky);
• C3 - z feritu (nachází se na hranicích feritových zrn ve formě jemných částic).

Perlit a ledeburite

Směs feritu a cemenitu se nazývá perlit. Vzniká při rozkladu austenitu (při teplotě nižší než 727 ° C). Při zvětšení má tato struktura tvar desek nebo zrn.

Perlit s postupným poklesem teploty je přítomen ve všech slitinách s obsahem uhlíku 0,02-6,67%.

Ledeburite je směs austenitu a cementu. Vzniká z kapalné fáze po ochlazení na teplotu pod 1147 ° C.

Litina

Slitiny ve schématu železo-uhlík, které obsahují uhlík více než 2,14%, se nazývají litina. Jsou velmi křehké. Průřez takového litého železa má světelný tón, a proto se nazývá bílé železo.

Ve schématu se jedná o bod C, nazvaný eutektický, s odpovídajícím obsahem uhlíku 4,3%. Během krystalizace se vytvoří směs tvořená austenitem a cementitem, společně nazývaným ledeburite. Fázové složení je konstantní.

Při koncentraci uhlíku nižší než 4,3% (pre-eutektická litina) se během krystalizace vysráží austenit z roztoku. Pak z něj je přidělen Ts2. A při 727 ° C se austenit změní na perlit. Strukturální stav takového litého železa je následující: velké plochy tmavého perlitu.

V hypereutektice bílá litina (uhlík více než 4,3%) po ochlazení, strukturování probíhá při tvorbě krystalů CI. Další transformace jsou již provedeny v pevném stavu. Struktura je ledeburite, což je pozadí pro tmavé perlitové pole. A velké vrstvy jsou CI.

Závěry

Není možné dosáhnout absolutní rovnováhy, fyzikální i chemické, s výjimkou speciálních laboratorních podmínek.

V praxi se váha může být aproximována na absolutní, ale za určitých podmínek: dostatečně pomalé zvýšení nebo snížení teploty slitiny, které mají být udržována po dlouhou dobu.