Что такое фазовая диаграмма железо-углерод?

Фазовая диаграмма железо-углерод

Фазовая диаграмма железо-углерод широко используется для понимания различных фаз стали и чугуна. И сталь, и чугун представляют собой смесь железа и углерода. Также оба сплава содержат небольшое количество микроэлементов.

График довольно сложный, но, поскольку мы ограничиваем наше исследование Fe3C, мы сосредоточимся только на 6,67 весовых процента углерода.

Эта фазовая диаграмма железо-углерод построена с массовыми концентрациями углерода по оси X и температурной шкалой по оси Y.

На рис. показана диаграмма равновесия Fe-C, на которой изображены различные структуры (получаемые при нагреве и охлаждении), фазы и микроскопические составляющие различных видов стали и чугуна. Основные структуры, значение различных линий и критические точки обсуждаются ниже.

Структуры на диаграмме Fe-C

Основные микроскопические составляющие железа и стали следующие:

• Аустенит
• Феррит
• Цементит
• Перлит

1. Аустенит

Аустенит представляет собой твердый раствор свободного углерода (феррита) и железа в гамма-железе. При нагреве стали после достижения верхней критической температуры завершается формирование структуры аустенита, который является твердым, пластичным и немагнитным.

Он способен растворять большое количество углерода. Он находится между критическими или переходными диапазонами при нагреве и охлаждении стали. Он образуется при содержании в стали углерода до 1,8% при 1130°С. При охлаждении ниже 723°С он начинает превращаться в перлит и феррит. Аустенитные стали не могут быть закалены обычными методами термической обработки и не обладают магнитными свойствами.

2. Феррит

Феррит содержит очень мало или совсем не содержит углерода в железе. Это название, данное кристаллам чистого железа, которые являются мягкими и пластичными. Медленное охлаждение низкоуглеродистой стали ниже критической температуры приводит к образованию ферритной структуры. Феррит не затвердевает при быстром охлаждении. Он очень мягкий и очень магнитный.

3. Цементит

Цементит представляет собой химическое соединение углерода с железом и известен как карбид железа (Fe3C). Чугун с содержанием углерода 6,67% имеет полную структуру цементита. Свободный цементит содержится во всех сталях, содержащих более 0,83% углерода. Он увеличивается с увеличением процентного содержания углерода, как это отражено на диаграмме равновесия Fe-C. Это очень тяжело.

Считается, что твердость и хрупкость чугуна обусловлены присутствием цементита. Это снижает прочность на растяжение. Он образуется, когда углерод образует определенные соединения с железом в виде карбидов железа, чрезвычайно твердых по своей природе. Хрупкость и твердость чугуна в основном определяются наличием в нем цементита. Он обладает магнитными свойствами при температуре ниже 200 °C.

4. Перлит

Перлит представляет собой эвтектоидный сплав феррита и цементита. Это происходит, в частности, в средне- и низкоуглеродистых сталях в виде механической смеси феррита и цементита в соотношении 87:13. Его твердость увеличивается с увеличением доли перлита в железном материале.

Перлит относительно прочен, тверд и пластичен, тогда как феррит слаб, мягок и пластичен. Он состоит из чередующихся светлых и темных пластин.

Эти слои поочередно представляют собой феррит и цементит. При рассмотрении под микроскопом поверхность выглядит как жемчужина, поэтому ее называют перлитной. Твердые стали представляют собой смесь перлита и цементита, а мягкие стали — смеси феррита и перлита.

По мере того, как содержание углерода превышает 0,2% при температуре, при которой феррит впервые отделяется от аустенитной капли, до тех пор, пока при 0,8% или выше содержания углерода свободный феррит не отделяется от аустенита. Эта сталь называется эвтектоидной, и по составу она имеет перлитную структуру.

Так как железо с различным процентным содержанием углерода (до 6%) нагревается и охлаждается, следующие фазы, изображающие линии, расскажут о структуре железа, о том, как оно заряжается.

Значение линий трансформации

1. Линия ABCD

Линия ABCD говорит о том, что выше этой линии плавление было завершено при нагреве железа. Расплавленный металл находится исключительно в ликвидусной форме. Ниже этой линии и выше линии AHJECF металл частично твердый и частично жидкий.

Твердый металл известен как аустенит. Таким образом, линия ABCD представляет температуры, при которых плавление считается завершенным. За этой линией металл находится полностью в расплавленном состоянии. Это не горизонтальная линия, температура плавления зависит от содержания углерода.

2. Строка AHJECF

Эта линия говорит нам о том, что металл начинает плавиться при этой температуре. Эта линия не является горизонтальной, и, следовательно, температуры плавления будут меняться в зависимости от содержания углерода. Ниже этой линии и выше линии GSEC металл находится в твердом состоянии и имеет аустенитную структуру.

3. Линия PSK

Эта линия проходит при температуре около 723 °C и представляет собой горизонтальную линию, известную как линия более низкой критической температуры, поскольку на этой линии начинается превращение стали. % углерода на это не влияет, т.е. сталь с разным % углерода будет трансформироваться при одной и той же температуре.

Диапазон выше линии до GSE известен как диапазон преобразования. Эта линия говорит нам о том, что сталь с содержанием углерода до 0,8 % – 0,8%  начнет превращаться из феррита и перлита в аустенит при нагреве.

4. Строка ECF

Это линия при температуре 1130°C, которая говорит, что для чугуна с % C от 2% до 4,3%. Ниже этой линии и выше линии SK чугун будет содержать аустенит + ледебурит и цементит + ледебурит.

Часто задаваемые вопросы.

Что такое диаграмма железо-углерод?

Диаграмма Fe-C (также называемая фазой железа-углерода или диаграммой равновесия) представляет собой графическое представление соответствующих состояний микроструктуры сплава железо-углерод (Fe-C) в зависимости от температуры и содержания углерода. Чтобы объяснить эту диаграмму, необходимо сделать введение о металлических конструкциях и чистом железе.

Как читать диаграмму железо-углерод?

Почему диаграмма железа и углерода называется диаграммой равновесия?

Карбид железа называют метастабильной фазой. Следовательно, диаграмма карбида железа, хотя технически она представляет собой метастабильные условия, может рассматриваться как отражающая изменения равновесия в условиях относительно медленного нагрева и охлаждения.

Какие фазы представлены на фазовой диаграмме железа и углерода?

Для фазовой диаграммы железо-углерод представляют интерес фазовые поля феррита, цементита, аустенита, феррита + цементита, феррита + аустенита и аустенита + цементита.

Что такое диаграмма равновесия углерода?

Диаграмма равновесия железо-углерод (также называемая фазовой диаграммой железо-углерод) представляет собой графическое представление соответствующих состояний микроструктуры сплава железо-углерод (Fe-C) в зависимости от температуры и содержания углерода.

Какое процентное содержание углерода в эвтектоидной стали?

Сталь, содержащая 0,8% С, известна как эвтектоидная сталь. Равновесная микроструктура эвтектоидной стали, полученной при комнатной температуре, представляет собой перлит.

Что такое низкоуглеродистая сталь?

Мягкая сталь — это черный металл, состоящий из железа и углерода. Это недорогой материал со свойствами, подходящими для большинства общетехнических применений. Низкоуглеродистая мягкая сталь обладает хорошими магнитными свойствами благодаря высокому содержанию железа; поэтому он определяется как «ферромагнитный».

Из чего сделана сталь?

сталь, сплав железа и углерода, в котором содержание углерода колеблется до 2 процентов (при более высоком содержании углерода материал определяется как чугун). На сегодняшний день это наиболее широко используемый материал для строительства инфраструктуры и промышленности в мире, он используется для изготовления всего, от швейных иголок до нефтяных танкеров.

Каково значение температуры a0 на диаграмме карбида железа?

Линия A1 представляет собой линию эвтектоидной температуры и является самой низкой температурой, при которой f.c.c. железо может существовать в равновесных условиях. Чуть выше линии A1 микроструктура состоит приблизительно из 25 % аустенита и 75 % феррита.

Что такое критическая температура на диаграмме железо-углерод?

Таким образом, это температура, соответствующая границе раздела фаз гамма + альфа/гамма для доэвтектоидной стали, и она является функцией содержания углерода в стали, поскольку оно уменьшается от 910°С при 0 % С до 727°С при 0,76 % С. , Ее также называют верхней критической температурой доэвтектоидных сталей.

Что такое эвтектоидная температура на диаграмме железо-углерод?

Эвтектоидная реакция описывает фазовое превращение одного твердого тела в два разных твердых тела. В системе Fe-C существует эвтектоидная точка примерно при 0,8 мас.% С, 723°С. Фаза чуть выше температуры эвтектоида для простых углеродистых сталей известна как аустенит или гамма.

Какое значение имеет диаграмма железо-углерод?

Фазовая диаграмма железо-углерод широко используется для понимания различных фаз стали и чугуна. И сталь, и чугун представляют собой смесь железа и углерода. Также оба сплава содержат небольшое количество микроэлементов.

Является ли углерод FCC?

Углерод более растворим в ГЦК-фазе, занимающей область «γ» на фазовой диаграмме, чем в ОЦК-фазе. Процент углерода определяет тип сплава железа, который образуется при охлаждении из фазы ГЦК или из жидкого железа:альфа-железо, углеродистая сталь (перлит) или чугун.

Как узнать, это BCC или FCC?

Наиболее прямое различие между кристаллами ГЦК и ОЦК заключается в расположении атомов. В гранецентрированной кубической структуре атом находится во всех 8 угловых положениях и в центре всех 6 граней. Объемно-центрированная кубическая структура имеет атом во всех 8 угловых положениях и еще один в центре куба.

Является ли сталь BCC или FCC?

Альфа-фаза называется ферритом. Феррит является обычным компонентом сталей и имеет объемно-центрированную кубическую структуру (ОЦК) [которая менее плотно упакована, чем ГЦК].

Каково равновесие железа и углерода?

В равновесных условиях в железоуглеродистых сплавах, содержащих до 0,8 % углерода, будет образовываться доэвтектоидный феррит. Реакция протекает при 910 °C в чистом железе, а при температуре от 910 °C до 723 °C в железоуглеродистых сплавах.

Что такое перлит на диаграмме железо-углерод?

Перлит представляет собой эвтектоидную смесь цементита и феррита. Диаграмма равновесия железо-углерод:Фазовая диаграмма Fe-Fe3C не является истинным равновесием, поскольку карбид железа представляет собой нестабильную фазу, которая после длительной термообработки разлагается на железо и углерод (форма графита).

Что такое феррит на диаграмме железо-углерод?

Феррит известен как твердый раствор α. Это твердый раствор внедрения небольшого количества углерода, растворенного в α (ОЦК) железе. Максимальная растворимость составляет 0,025 % С при 723°С, а растворяется только 0,008 % С при комнатной температуре. Это самая мягкая структура, показанная на диаграмме.

Что представляет собой почти чистое железо?

Чистое железо (α-железо или «феррит») претерпевает изменение кристаллической структуры при нагревании выше 910 °C, образуя γ-железо или «аустенит».

Почему линия ACM круче, чем линия A3?

Линия Acm намного круче, чем линия A3, что хотя и означает, что количество доэвтектоидного цементита в товарных сталях очень мало, но это также означает, что для растворения этого цементита для полной гомогенизации необходимо проводить нагревание, слишком высокие температуры. аустенит.