Diagrama fier-carbon. Diagrama stării sistemului de fier-carbon

Este dificil să ne imaginăm construcțiile moderne, mașinile, ingineria și alte industrii importante fără utilizarea principalelor aliaje metalice din oțel și fontă. Producția lor depășește de zeci de ori toate celelalte.

Dacă luăm în considerare oțelul și fonta, în ceea ce privește știința, cum ar fi metalografice, figura centrală apare diagrama de fază fier-carbon, care oferă o reprezentare detaliată a compoziției și transformările structurale în aceste materiale. Și, de asemenea, să se familiarizeze cu compoziția lor de fază.

Istoria descoperirii

Pentru prima dată, în aliaje (oțeluri și fonte) există anumite puncte (speciale), a subliniat marele metalurgist și inventator - Dmitri K. Chernov (1868). A fost cel care a făcut o descoperire importantă despre transformările polimorfe și este unul dintre creatorii diagramei de stare de fier-carbon. Potrivit lui Chernov, poziția acestor puncte pe diagramă depinde în mod direct de procentajul de carbon.

Iar ceea ce este cel mai interesant este că, din momentul descoperirii, o astfel de știință ca metalografia își începe viața.

Diagrama aliajelor de fier cu carbon este rezultatul muncii minuțioase a oamenilor de știință din mai multe țări ale lumii. Toate denumirile alfabetice ale punctelor principale și ale fazelor din diagramă sunt internaționale.

Conceptul unei diagrame

Reprezentarea grafică a proceselor care apar în aliaj atunci când regimul de temperatură, concentrația de substanțe, presiunea este schimbată se numește diagrama de stare. Aceasta vă permite să vizualizați vizual și vizual toate transformările care apar în aliaje.

Elemente ale diagramei fier-carbon

Informații succinte despre fiecare dintre aceste elemente.

Fierul este un metal gri-argintiu. Greutate specifică - 7, 86 g / cm3. Are un punct de topire de 1539 ° C

Atunci când fierul și alte metale interacționează, se formează compuși numiți soluții de substituție. Dacă cu nemetale, de exemplu, cu carbon sau hidrogen, atunci - soluții de implantare.

Fierul are capacitatea, fiind inițial solid, să se afle în mai multe state, care în știința metalului sunt numite în mod obișnuit "alfa" și "gamma". Această calitate se numește polimorfism. Despre acest lucru mai târziu în articol.

Carbonul este nemetalic. Dacă apare ca grafit, atunci punctul de topire este 3500 ° C. Dacă atât diamantul este de 5000 ° C. Densitatea de carbon este de 2,5 g / cm³. De asemenea, are proprietăți polimorfe.

Aliajele fier-carbon, acest element formează o soluție solidă în care compoziția este ferrum numit cementită (Fe₃C). De asemenea, formează grafit în fontă.

Diagrama aliajelor de fier-carbon

Ca urmare a interacțiunii diagramelor constitutive cu celelalte, se obține cementită - un compus chimic.

De regulă, atunci când studiază diagrama de către studenții de metal, toate conexiunile stabile sunt considerate ca fiind componente, iar imaginea grafică însăși este examinată în părți.

De asemenea, în clasă, pe diagrama fier-carbon este reprezentată o curbă de răcire: se selectează procentajul de carbon și apoi este necesară determinarea fazei care corespunde temperaturii din diagramă.

Pentru a face acest lucru, pe lângă diagrama însăși, trageți un sistem de coordonate (temperatură-timp). Și începând cu gradele maxime, mișcați treptat în jos, reprezentând curba și secțiunile de tranziție de la o fază la alta. În acest caz este necesar să le apelați și să indicați tipul de zăbrele de cristal.

Apoi, să luăm în considerare în detaliu reprezentarea grafică a diagramei de stare a fierului-carbon.

Mai întâi, are două forme (părți):

• fier-cementita;
• fier-grafit.

În al doilea rând, aliajele, în care principalii "actori" sunt ferrum și carbon, sunt în mod convențional divizați în:

• oțel;
• fonte turnate.

Dacă carbonul din aliaj este mai mic sau egal cu 2,14% (punctul E din diagramă), atunci acesta este oțelul dacă mai mult de 2,14% este fonta. Din acest motiv, diagrama este împărțită în două faze.

Transformări polimorfe

Mai multe despre fiecare fază puțin mai târziu în articol. Pe scurt, implementarea transformărilor principale are loc la temperaturi specifice.

Starea fierului este desemnată ca alfa - ferrum (la o temperatură mai mică de 911 ° C). Elementul de cristal este un cub centrat pe față. Sau BCC. Distanța dintre atomii unei astfel de zăbrele este destul de mare.

Fierul obține o modificare gamma, adică este desemnată ca gama-ferum (911-1392 ° C). Latina cristalină este un cub centrat pe față (fcc). În această rețea, distanța dintre atomi este mai mică decât în ​​bcc.

În tranziție alpha - ferrum în gama-ferrum, volumul substanței devine mai mic. Motivul pentru aceasta este latura cristalului - forma sa. Deoarece rețeaua fcc are o stare de atomi mai ordonată decât bcc.

Dacă tranziția este în direcția opusă - de la gamma - ferrum în alfa-ferrum, volumul aliajului crește.

Atunci când temperatura ajunge la 1392 ° C (dar mai mică decât punctul de topire al fierului 1539 ° C), atunci alfa - ferumul este transformat în delta - ferrum, dar aceasta nu este noua sa formă, ci doar un fel. În plus delta-ferrum este o structură instabilă.

Proprietăți de fier tehnic pur

Proprietăți magnetice ale fierului la diferite temperaturi:

• mai puțin de 768 ° C - feromagnetic;
• mai mult de 768 ° C - paramagnetic.

Un punct de temperatură de 768 ° C se numește un punct de conversie magnetic sau un punct Curie.

Proprietăți de fier tehnic pur:

• duritate - 80 HB;
• o rezistență temporară de 250 MPa;
• limita de rupere - 120 MPa;
• o alungire de 50%;
• relativ îngustare - 80%;
• modul de înaltă elasticitate.

Carbură de fier

Vedere grafică a părții componente a diagramei fier-carbon: Fe3C. Substanța se numește carbură de fier sau cementită. Se caracterizează prin:

1. Conținutul de carbon este de 6,67%.
2. Greutatea specifică este de 7,82%.
3. Grinzile de cristal au o formă rombică, constând din octaedru.
4. Topirea are loc la temperatura asymp-1260 ° C.
5. Proprietăți feromagnetice scăzute la temperaturi scăzute.
6. Duritatea este de 800 HB.
7. Plasticitatea este practic zero.
8. fier de carbură formează o soluție solidă substitutionala în care atomii de carbon sunt înlocuiți cu atomi de nemetale (azot), și atomii de fier - metale (crom, wolfram, mangan). Această compoziție solidă este denumită aliat.

După cum sa menționat mai sus, cementitul este o fază instabilă, iar grafitul este stabil. Deoarece prima substanță este un compus instabil, se dezintegrează în anumite condiții de temperatură.

În diagrama fier-carbon, există astfel de stări:

• fază lichidă;
• ferita;
• austenită;
• cementita;
• grafit;
• perlit;
• Ledebour.

Să luăm în considerare fiecare dintre ele în detaliu.

Faza lichidă

Ferrum, în stare lichidă, dizolvă bine carbonul. Acest lucru este indiferent de proporția în care se află în procent. Ca urmare, se formează o masă lichidă omogenă.

ferită

Este o soluție solidă de încorporare a carbonului în alfa - ferrum. O cantitate mică de impurități poate fi de asemenea inclusă. Dar ferita are aproape aceleași calități ca fierul pur. Dacă luăm în considerare structura sub microscop, putem vedea granule poliedrice de ton de lumină.

Se întâmplă:

• temperatură joasă (la o temperatură de 727 ° C, solubilitatea carbonului este de 0,02%);
• temperatură ridicată (la 1499 ° C solubilitatea carbonului 0,1%) sau se numește delta-ferrum.

Proprietăți de ferită:

• duritate - 80-120 HB;
• o rezistență temporară de 300 MPa;
• alungirea este de 50%;
• are proprietăți magnetice bune (până la o temperatură de 768 ° C).

austenită

Aceasta este o soluție solidă de încorporare a carbonului în gamma-ferrum. De asemenea, poate exista o cantitate mică de impurități. În rețeaua de cristal, carbonul se află în centrul celulei fcc. Când se ia în considerare structura austenită sub microscop, este văzută ca granule de lumină de formă poliedrată cu gemeni.

Are următoarele caracteristici:

1. Solubilitatea carbonului în gamma-ferrum 2,14% (la o temperatură de 1147 ° C).
2. Duritatea austenitei 180 НВ;
3. Elongație - 40-50%;
4. Bune calități paramagnetice.

Cementite și formele sale

Prezent în astfel de faze: Ц1, Ц2, Ц3 (cementită primară, secundară și terțiară).

În ceea ce privește parametrii fizico-chimici ai acestor trei stări, ele sunt aproximativ egale. Proprietățile mecanice sunt afectate de dimensiunea particulelor, de numărul și de locația lor.

De asemenea, conform diagramei, este clar că:

• U1 este format dintr-o stare lichidă (sub microscop se vede ca o placă mare);
• Z2 - de la austenită (așezarea în jurul granulelor sale în formă de grătar);
• C3 - din ferită (situată la granițele granulelor de ferită sub formă de particule fine).

Perlite și ledeburite

Un amestec de ferită și cementită se numește perlit. Se formează în timpul descompunerii austenitei (la o temperatură mai mică de 727 ° C). Când este mărită, această structură are forma plăcilor sau granulelor.

Perlitul cu o scădere treptată a temperaturii este prezent în toate aliajele cu un conținut de carbon de 0,02-6,67%.

Ledeburite este un amestec de austenită și cementită. Se formează din faza lichidă după răcire la o temperatură sub 1147 ° C

Fontă

Aliajele din diagrama fier-carbon, care conțin carbon mai mult de 2,14%, se numesc fontă. Sunt foarte fragile. Secțiunea transversală a unui astfel de fontă are un ton luminos și, prin urmare, se numește fier alb.

În diagrama aceasta este punctul C, numit eutectic, cu un conținut de carbon corespunzător de 4,3%. În timpul cristalizării, se formează un amestec constând din austenită și cementită, denumite colectiv ledeburite. Compoziția de fază este constantă.

Atunci când concentrația soluției de carbon mai mic de 4,3% (hypoeutectic fontă) austenitei este eliberată în timpul cristalizării. Apoi, din acesta este alocat Ts2. La 727 ° C, austenita se transformă în perlit. Starea structurală a unui astfel de fontă este după cum urmează: zone mari de perlit întunecat.

În hipereutectic fontă albă (carbon mai mult de 4,3%) la răcire, structurarea are loc cu formarea cristalelor CI. Alte transformări se efectuează deja în stare solidă. Structura este o ledeburite, care este fundalul pentru câmpurile perlite întunecate. Iar straturile mari sunt CI.

constatări

Este imposibil să se obțină un echilibru absolut, fizic și chimic, cu excepția condițiilor speciale de laborator.

În practică, echilibrul poate fi aproximat la absolut, dar în anumite condiții: o creștere sau o scădere suficient de lentă a temperaturii aliajului, care va fi susținută mult timp.