Диаграмма равновесия железа и углерода с объяснением [фазовая диаграмма]

В этой статье мы обсудим диаграмму равновесия железа и углерода. , использование диаграммы равновесия, типов диаграммы равновесия железа и углерода и различных фаз и терминов, связанных с диаграммой состояния железа и углерода.

Что такое фазовые диаграммы?

Фазовые диаграммы представляют собой графическое представление фаз, присутствующих в сплаве, при различных условиях температуры, давления и химического состава.

Затвердевание металлических сплавов наглядно можно понять с помощью диаграмм равновесия. Это графические изображения изменений состояния из-за изменений температуры и концентрации. Поскольку эта диаграмма показывает природу и состав сплавов, а также количество и состав фаз в данной системе, она также известна как диаграмма состава или фазовая диаграмма.

Характеристики диаграммы равновесия и ее использование

Равновесие подразумевает, что изменения, происходящие в системе в результате протекания процесса в одном направлении, полностью компенсируются изменениями вследствие реверсирования процесса в системе. Таким образом, это рассматривается как динамическое состояние баланса между движениями атомов, где равнодействующая равна нулю.

Скорость изменения температуры или состава была чрезвычайно низкой во время экспериментальной работы, так что сплав «останавливался» до того, как переменная, такая как температура, снова изменялась. Состояние, таким образом, является состоянием покоя, а не изменения.

Диаграмма равновесия показывает следующее:

1. Температура, при которой твердый сплав начнет плавиться и закончит плавиться.
<сильный>
2. Возможные фазовые изменения, которые произойдут в результате изменения состава или температуры.

Что представляет собой диаграмма равновесия?

Диаграмма описывает подходящие условия для существования двух или более фаз в равновесии. Например, диаграмма состояния воды описывает точку (тройную точку), в которой вода может сосуществовать в трех разных фазах одновременно. Это происходит при температуре чуть выше точки замерзания (0,01°C) и давлении 0,006 атм.

Использование диаграммы равновесия в металлургии

• Разработка новых сплавов на основе требований применения.
• Производство этих сплавов.
• Разработка и внедрение соответствующих процедур термообработки для улучшения химических, физических и механических свойств этих новых сплавов.
• Устранение неполадок, возникающих при использовании этих новых сплавов, что в конечном итоге повышает предсказуемость продукта.

Диаграмма равновесия железа и углерода

Диаграмма равновесия железа и углерода (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.

Фазовая диаграмма железа и углерода обычно используется для полного понимания различных фаз стали и чугуна. Сталь и чугун представляют собой сплавы как железа, так и углерода. Кроме того, оба сплава содержат микроэлементы в небольших количествах.

График довольно сложный, но поскольку мы ограничиваем наше исследование Fe3C, мы будем рассматривать только до 6,67 весовых процентов углерода.

Типы диаграммы равновесия железа и углерода

Бинарная диаграмма равновесия железо-углерод лежит в основе стали и чугуна. Речь идет о превращениях, происходящих в сплавах состава от чистого железа до цементита (6,67% углерода). Существуют две версии диаграммы равновесия железа и углерода:

1. Железоцементитная система. 2. Железо-графитовая система.

Эти две системы зависят от скорости охлаждения. При быстром охлаждении образуется цементит, и эта система известна как железо-цементитная система. . В этой системе структуры, образующиеся в затвердевших фазах, не достигают достаточно полного равновесия. Таким образом, железоцементитная система является метастабильной. один.

При медленном охлаждении образуется графит, и эта система известна как железо-графитовая система. . Структуры, образующиеся в затвердевшей фазе, достигают достаточно полного равновесия. Итак, это стабильный один.

Типы сплавов железа на диаграмме равновесия железа и углерода

Шкала весовых процентов по оси X фазовой диаграммы железа и углерода. варьируется от 0% до 6,67% Углерод. Этот металл известен просто как железо или чистое железо с максимальным содержанием углерода 0,008. процентов массы углерода. При комнатной температуре он существует в феррите государство.

Сталь представляет собой железоуглеродистый сплав с содержанием углерода от 0,008 до 2,14. процент. Марки стали в этом диапазоне известны как низкоуглеродистая сталь. (или низкоуглеродистая сталь), среднеуглеродистая сталь и высокоуглеродистая сталь .

Когда содержание углерода превышает 2,14 процентов, мы достигаем чугуна сцена. Чугун чрезвычайно тверд, но его хрупкость сильно ограничивает возможности его применения и методы формовки.

ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТОВАЯ СИСТЕМА

Если построить ряд температурно-временных кривых нагрева для сталей с различным содержанием углерода и нанести соответствующие критические точки, то получится диаграмма, подобная рис. 2.14. Эта диаграмма, которая применяется только в условиях медленного охлаждения, известна как частичная фазовая диаграмма железа и углерода. . Обращаясь к этой диаграмме, можно легко определить надлежащие температуры закалки для любой углеродистой стали. Критические точки на рис. 2.14 на линии PSK обозначены A1, на линии GS — A3, а на линии SE — Acm. П>

Диаграмма равновесия железа и углерода с объяснением

аустенит

Аустенит , твердый раствор углерода и других компонентов в особой форме железа, известной как γ (гамма) железо. Возьмем в качестве примера кусок 0,20-процентной углеродистой стали, нагретый до температуры около 850°С. Выше точки Ar3 (линия GS) эта сталь представляет собой твердый раствор (тип внедрения) углерода в гамма-железе и называется аустенитом. . Он имеет гранецентрированную кубическую решетку и немагнитен.

Обычный аустенит может содержать до 2% углерода при температуре 1130°С. При охлаждении этой стали атомы железа начинают образовывать объемно-центрированную кубическую решетку ниже точки Ar3 (линия GS). Эта новая формирующаяся структура называется ферритом или альфа-железом. и представляет собой твердый раствор углерода в альфа-железе, содержащий до 0,008% углерода при комнатной температуре.

По мере охлаждения стали до Ar1 (линия ПСК) образуется дополнительный феррит. На линии Arı оставшийся аустенит преобразуется в новую структуру, называемую перлитом. . Название перлита связано с его перламутровым блеском. Он состоит из чередующихся пластин из феррита и цементита и содержит около 87% феррита. Перлит может быть мелкопластинчатой ​​или крупнозернистой структуры. Это прочное вещество, и его можно достаточно хорошо резать режущими инструментами, т. е. перлитный компонент стали поддается механической обработке.

Эвтектоидная сталь

Когда содержание углерода в стали превышает 0,20 %, температура, при которой феррит впервые отделяется от аустенита, падает до тех пор, пока при содержании углерода около 0,80 % (точка S) свободный феррит не отделяется от аустенита. Эта сталь называется эвтектоидной сталью. и является 100-процентным перлитом. .

Eutectoid Точка

Что такое эвтектоидная точка?

Эвтектоидная точка у любого металла, как сказано ранее, есть самая низкая температура, при которой происходят изменения в твердом растворе.

Если содержание углерода в стали больше эвтектоидного (0,8% углерода), то на диаграмме состояния углерода железа наблюдается новая линия, обозначенная Acm (линия S). Линия обозначает температуру, при которой карбид железа впервые отделяется от аустенита вместо феррита.

Карбид железа (Fe3C) известен как цементит. . Он чрезвычайно твердый, хрупкий и выглядит как параллельные пластинки (пластинчатые слои), округлые частицы (сфероиды) или оболочки вокруг зерен перлита. В точке C эвтектическая смесь, содержащая 4,3% углерода, известна как ледебурит. . Это редко наблюдается в медленно охлаждаемых сплавах, поскольку они распадаются из-за своей нестабильной природы на другие фазы во время охлаждения после затвердевания.

Гипоэвтектоиды и заэвтектоиды

Стали, содержащие менее 0,80 % углерода, называются доэвтектоидными. а те, которые содержат более 0,8% углерода, называются заэвтектоидными. стали. Эта терминология применима только к простым и низколегированным сталям. В высоколегированных сталях эвтектоидный состав изменяется, и структура может даже не существовать.

Прежде всего следует отметить, что диаграмма нормального равновесия действительно представляет собой метастабильное равновесие между железом и карбидом железа (цементитом). Цементит метастабилен, и истинное равновесие должно быть между железом и графитом.

Хотя графит широко встречается в чугунах (2-4 мас. % С), обычно трудно получить эту равновесную фазу в сталях (0,03-1,5 мас. % С). Следовательно, следует учитывать метастабильное равновесие между железом и карбидом железа, поскольку оно имеет отношение к поведению большинства сталей на практике.

Железно-графитовая система

ЖЕЛЕЗНО-ГРАФИТНАЯ СИСТЕМА

Уже было сказано, что карбид железа или цементит является метастабильным, хотя в нормальных условиях он имеет тенденцию сохраняться неопределенно долгое время. Когда цементит действительно разлагается, это происходит в соответствии с реакцией:

Fe3C <——–> 3Fe + C

В стабильной фазе свободный углерод или графит происходит вместо фазы, известной как цементит . При небольшой степени переохлаждения графит образуется при затвердевании чугуна из жидкого состояния. Медленное охлаждение способствует графитизации . Быстрое охлаждение частично или полностью подавляет графитизацию и приводит к образованию цементита.

Система железо-графит (пунктиром) показана на рис. 2.14. В качестве иллюстрации взят случай углеродного сплава, содержащего 3,5% углерода по весу.

В точке 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 2 на линии охлаждения происходящая реакция может быть выражена как:

Изображение

> Между точками 2 и 3 избыток углерода в аустените выделяется в виде свободного графита, а не в виде цементита. В точке 3 протекает эвтектоидная реакция. Это выражается как:

Изображение

Механизм эвтектоидного превращения должен превращать одну твердую фазу в две другие, отличающиеся по составу от исходной.

На примере эвтектоидного распада железа аустенит, содержащий 0,8 % С, превращается в феррит (железо, почти не содержащее углерода) и цементит (Fe3C, содержащий 25 ат. % углерода). Следовательно, атомы углерода должны диффундировать вместе, чтобы образовать Fe3C, оставив феррит. Зародыши небольших пластин феррита и цементита формируются на границах зерен аустенита, а диффузия углерода происходит в очень локальном масштабе прямо перед границей раздела (схема ниже).

Таким образом, пластины растут, поглощая аустенит на своем пути, образуя перлит. Процесс графитизации контролируется изменением скорости охлаждения и правильным легированием металлической матрицы.

Термины, используемые в диаграмме равновесия железа и углерода

Эвтектическая точка

Эвтектоидная точка в любом металле — это самая низкая температура, при которой происходят изменения в твердых растворах.

В этих точках происходят эвтектические реакции, когда жидкая фаза замерзает в смесь двух твердых фаз. Это происходит, когда жидкий сплав эвтектического состава полностью охлаждается до эвтектической температуры.

Эвтектические сплавы - это сплавы, которые образуются в этой точке. Сплавы слева и справа от этой точки известны как доэвтектические сплавы и заэвтектические сплавы («гипо» по-гречески означает меньше, чем «гипер» означает больше).

аустенит

Аустенит, твердый раствор углерода и других компонентов в особой форме железа, известной как γ (гамма) железо.

Эта фаза представляет собой твердый раствор углерода в ГЦК Fe с максимальной растворимостью 2,14 % С. При дальнейшем нагреве она превращается в ОЦК феррит при 1395°С. γ-аустенит нестабилен при температурах ниже температуры эвтектики (727°C), если его не охладить быстро.

Альфа-железо или феррит

Существующий при низких температурах и низком содержании углерода α-феррит представляет собой твердый раствор углерода в ОЦК Fe. Эта фаза стабильна при комнатной температуре. На графике это можно увидеть в виде полоски на левом краю с осью Y слева и A2 справа. Эта фаза является магнитной ниже 768°C.

Он имеет максимальное содержание углерода 0,022 % и превращается в γ-аустенит при 912 °C, как показано на графике.

Цементит

Цементит, метастабильная фаза этого сплава с фиксированным составом Fe3C, является метастабильной фазой этого сплава. При комнатной температуре очень медленно разлагается на железо и углерод (графит).

Это время разложения велико, и оно займет намного больше времени, чем срок службы приложения при комнатной температуре. Другие факторы, такие как высокие температуры и добавление определенных легирующих элементов, могут влиять на это разложение, способствуя образованию графита.

Цементит твердый и хрупкий, что делает его идеальным для армирования стали. Его механические свойства определяются его микроструктурой, которая определяется тем, как он смешивается с ферритом.

Мы попытались охватить все термины, связанные с фазовой диаграммой железа и углерода, включая различные фазы и термины, используемые в ней, чтобы лучше понять. Надеюсь, вам понравилась эта статья о диаграмме равновесия железа и углерода. . Оставьте свой отзыв в комментарии ниже.