Железо и его соединение с углеродом

Железо – основной компонент сталей и чугунов, важнейших металлических сплавов современной техники. Не случайно наш XX–й век остается веком железным.

20 лет назад – карикатура в газетах: могучий конь (надпись на боку ”химия„ и старая костлявая кляча – „металлургия”). Но жизнь преподала серьезный урок – недооценка роли и значения металлов в н.т.р., что по словам академика Б.Патона спустя годы обернулось досадными просчетами и диспропорциями.

Героические усилия последних лет – и у нас 151млн.т. (1/5 мирового производства, больше, чем где). Но – проблема – экономия. В отходы у нас 20 млн. тонн стали – ежегодно (из них 8 млн. тонн – в стружки).

Техническое железо: ~ 99,8÷99,8% Fe + 0,1÷0,2% примесей (~0,02%С + ~0,1%Cu). Температура плавления технического железа 1539°С. Имеет α и γ полиморфных состояния (см. выше рисунок 11). Σ_τ=250 Мпа, σ_в=250 Мпа, δ=50%, ψ=85%, HB 80, ρ_Fe=7,86 г/см³.

С углеродом Fe может образовать:

1) твердые растворы

- в α- Fe растворяется 0,02%C (поры кристаллической решетки имеют размер 0,62 A°).

Твердый раствор углерода и других элементов в α- Fe – феррит.

- в γ-Fe – до 2,14%C (поры – 1,02 А°).

Твердый раствор углеродав γ- Fe – аустенит.

2) химическое соединение Fe и C – цементит Fe ₃ C (карбид железа). Сложная решетка из октаэдров t °_{пл. Fe3C}=1250°C, %C – 6,67, НВ=800. О Цементит при длительном нагреве может распадаться с образованием свободного C (графита).

2.1 Диаграмма состояния Fe – цементит (метастабильная)

Представлена на рисунке.

ABCD – ликвидус

AHJЕCF – солидус

Фазы: жидкость, Ц – цементит, Ф – феррит, А – аустенит

Таблица – Координаты точек

точка	t	% C	точка	t	% C
А			F		6.67
H		0.1	G
J		0.16	P		0.02
B		0.5	S		0.8
N			K		6.67
E		2.14	Q		0.01
C		4.3

Рисунок 31 – Диаграмма состояния железо – цементит

Остановимся на более детальном рассмотрении диаграммы состояния Fe – C, а точнее диаграмма состояния Fe – Fe ₃ C. Fe ₃ C (Ц) – цементит это химическое соединение с постоянным составом.

Линия ABCD выше, которой все Fe - C сплавы находятся в жидком состоянии – линия ликвидус (от лат. Liguidus – жидкий, расплавленный).

Линия AHIECF – являющаяся геометрическим местом точек конца затвердевания или кристаллизации Fe - C сплавов, – линия солидус (от лат. Solidus – плотный, твердый). Ниже линии солидус все сплавы находятся в твердом состоянии.

Кроме того, что Fe образует химическое соединение Fe ₃ C, оно может существовать в 2-х аллотропических модификациях α и γ (полиморфизм Fe).

Поэтому в системе Fe – Fe ₃ C кроме названных выше жидкой фазы и цементита могут существовать такие фазы:

Феррит (Ф) – представляющий собой твердый раствор углерода в α- Fe. Зачастую Ф обозначают α. Ферритной является область GPQ.

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-Fe. Может быть обозначен γ. Аустенитная область – GSEA.

В А содержится гораздо больше углерода, чем в феррите – предельно 2,14% и минимум – 0,02% соответственно.

В областях, прилегающих к линии цементита DFKL несомненно будет, имеется цементит (Ц).

В промежуточных областях ACE и GSP используя правила отрезков.

Для всех Fe – C сплавов, содержащих от 2,14 до 6,67 %C, т.е. тех при охлаждении которых пересекаем линию ECF, при t °=1147°C протекает эвтектическая реакция:

(3)

Полученную мелкую механическую смесь А и Ц называют эвтектикой (Э) или ледебуритом (Л).

При температуре 727°C все Fe – C сплавы, содержащие 0,02-6,67 %C, т.е. при охлаждении пересекающие линию PSK, претерпевают аналогичное превращение:

(4)

Однако, поскольку жидкая фаза отсутствует в этом превращении, а протекает оно в уже затвердевших сплавах, данное превращение называют не эвтектическим, а эвтектоидным. Тонкую механическую смесь Ф + Ц, полученную при 727°C называют эвтектоидом или перлитом (П), т.к. имеет вид перламутра.

Сплавы, содержащие 0 – 0,02%C – техническое железо

0,02 – 2,14%C – стали

2,14 – 6,67%C – чугуны

Стали делятся на до- и заэвтэктоидные; чугуны делятся на до- и заэвтектические.

Следует отметить еще линии СД, SE и PQ.

Линия СД – геометрическое место точек выделения из жидких Fe – C сплавов кристаллов цементита. Поскольку это первые кристаллы цементита, выделяющиеся из жидкости их обозначают Ц _I. При дальнейшем охлаждении в интервале температур 1147-727 из А по линии SE выделяются кристаллы Ц _II, благодаря падению растворимости углерода в аустените. Аналогично при охлаждении ниже 727°C из феррита выделяются кристаллы Ц _III.

На примере сплава Fe – C, допустим заэвтектического чугуна содержащего 5 %C и 95 %Fe, рассмотрим происходящие с ним при охлаждении превращения.

Как правило, превращения, происходящие со сплавом отражают в виде графической зависимости t ° – τ. Суть ее построения – измерение t ° во времени.

- отмечаем сплав I, II, III;

- отмечаем характерные точки пересечения его с линиями диаграммы 1, 2, 3, 4, 5 и переносим их на график t ° – τ;

- проводим кривую охлаждения.

Дата добавления: 2014-01-13