Феррит и перлит структура

Диаграмма железо-углерод

Феррит и перлит структура

Диаграмма железо-углерод – это графическое отображение структуры сплавов, состоящих только из железа и углерода, в зависимости от исходной средней концентрации углерода и текущей температуры сплава. Диаграмма железо-углерод позволяет понять процессы, происходящие при термообработке стали

Диаграмма железо-углерод (железо-цементит). Упрощенная

Структуры на диаграмме железо-углерод

Напомним о 2 кристаллических формах железа:

  • α-железо. Имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку;
  • γ-железо. Имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку.

Кристаллическая решетка железа

Полиморфное превращение одной формы в другую при проведении термообработки сталей происходит при прохождении сплавами линии GSK.

Выделим 4 фазы в системе железо-углерод:

  1. Жидкая фаза. Концентрация углерода не ограничена;
  2. Феррит – это твёрдый раствор углерода в α-железе. Максимальная концентрация углерода – всего лишь 0,025% (точка P). При комнатной температуре – не выше 0,006%. Феррит мягок и пластичен.
  3. Аустенит – твёрдый  раствор углерода в γ-железе. Максимальная концентрация углерода — 2,14 % (точка E). Аустенит имеет невысокую твёрдость, пластичен, не магнитится.
  4. Цементит — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа, Fe3C). Концентрация углерода, соответственно, постоянная – 6,67 % углерода. Цементит очень твёрд, хрупок, непластичен.

В зависимости от условий образования выделяют:

  • первичный цементит (образуется из жидкости);
  • вторичный цементит (выделяется из аустенита вокруг его зерен);
  • третичный цементит (выделяется из феррита по границам его зерен);
  • эвтектоидный цементит (является составной частью перлита);
  • эвтектический цементит (является составной частью ледебурита).

Необходимо так же выделить 2 структурные составляющие железоуглеродистых сплавов:

  1. Перлит (эвтектоид) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен феррита и цементита. Перлит образуется в результате перлитного превращения аустенита («свободного» или входящего в состав ледебурита) с концентрацией углерода 0,8% при прохождении ниже линии PSK:

А0,8→Ф0,025 + Ц6,67

Структура перлита. Ф — феррит, Ц — цементит

Железо при этом переходит из γ-формы в α-форму. Механические свойства сильно зависят от размера (дисперсности) частичек, из которых состоит данный перлит.

  1. Ледебурит (эвтектика) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен аустенита и цементита. Ледебурит образуется из жидкой фазы с концентрацией углерода 4,3% при прохождении ниже линии ECF:

Ж4,3→А2,14 + Ц6,67

Структура ледебурита. Ц — цементит, А — аустенит.

Повторяясь, напомним, что при прохождении сплавов ниже линии PSK (727°С) аустенит, входящий в состав ледебурита, претерпевает перлитное превращение, разделяясь на феррит и цементит. Ледебурит тверд и хрупок.

При комнатной температуре железоуглеродистые сплавы могут иметь различную структуру, а значит и свойства, хотя и состоят всегда всего из 2 фаз: феррита и цементита. 

Некоторые элементы диаграммы железо-углерод

Выделим несколько границ на диаграмме железо-углерод:

  • линия ACD. Линия ликвидус. При охлаждении сплавов ниже нее начинается их кристаллизация;
  • линия AECF. Линия солидус. При охлаждении сплавов ниже нее весь сплав переходит в твердое состояние;
  • линия ECF. Иногда называется линией ледебуритного превращения. При охлаждении сплавов с содержанием углерода выше 2,14% ниже нее жидкая фаза превращается в ледебурит;
  • линия PSK. Линия перлитного превращения. При охлаждении сплавов ниже нее аустенит превращается в перлит.

 Отметим несколько важных точек на диаграмме:

  • точка E. Точка максимального насыщения аустенита углеродом – 2,14%, при температуре 1147°С;
  • точка P. Точка максимального насыщения феррита углеродом – 0,025%, при температуре 727°С;
  • точка S. Точка «0,8% С-727°С» превращения аустенита с концентрацией углерода 0,8% в перлит (эвтектоид) той же средней концентрации;
  • точка C. Точка «2,14 % С-1147°С» превращения жидкости с концентрацией углерода 2,14% в ледебурит (эвтектику) той же средней концентрации.

Часто значения температур, при которых происходят структурные изменения конкретного сплава обозначают буквами A:

  • A2 – линия MO – точка Кюри, в которой происходит изменение магнитных свойств сплавов;
  • A3 – температуры, соответствующие линии GS;
  • Acm – температуры, соответствующие линии SE.

Поскольку температуры фазовых переходов при нагреве и охлаждении слегка отличаются, то часто вводят дополнительные буквенные обозначения:

  • с – для температур фазовых переходов при нагреве;

например, Ac1 или Ar1.

Чтение диаграммы железо-углерод

Состав сплава с данным исходным содержанием углерода при заданной температуре мы можем увидеть, двигаясь по вертикальной линии, соответствующей содержанию углерода в сплаве.

Рассмотрим, например, область AEC. С ней соседствуют области аустенита AESG и жидкой фазы. Сплавы в ней состоят из жидкой фазы и образующегося твердого аустенита. Как определить концентрацию углерода в разных фазах для данного сплава? Рассмотрим для примера сплав с исходной концентрацией углерода 2,5% при температуре 1250°С.

Проведем из этой точки графика «2,5% C – 1250°С» горизонтальную прямую. Пересечение этой прямой с линией AE, граничащей с областью аустенита, покажет концентрацию углерода в аустените при данной температуре (~1.5%).

Пересечение этой же горизонтальной прямой с линией AС, граничащей с областью жидкой фазы, покажет концентрацию углерода в жидкой фазе при данной температуре (~3.5%).

Именно таким образом мы можем определить концентрацию углерода в фазах любого сплава при заданной температуре:

  • в жидкой фазе и аустените в области AEC;
  • в жидкой фазе в области CDF (концентрация углерода в цементите, конечно, постоянна – 6,67%);
  • в аустените в области SEFK;
  • в феррите в области QPKL;
  • в феррите и аустените в области GPS.

 Как видим, при концентрации углерода выше 2,14% насыщение охлаждаемого расплава углеродом всегда стремится к 4,3% (по линиям AC и DC) по мере приближения к температуре 1147°С (уровень ECF). Далее происходит превращение жидкости в ледебурит (эвтектику). Естественно, с этим же средним содержанием углерода.

По мере приближения к температуре 727°С (уровень PSK) концентрация углерода в аустените («свободном» и/или входящем в состав ледебурита) стремится к 0,8% (по линиям GS и ES). Далее происходит превращение аустенита в перлит (эвтектоид). Перлит, конечно, имеет среднее содержанием углерода 0,8%. 

Классификация железоуглеродистых сплавов

Классификация железоуглеродистых сплавов в зависимости от концентрации углерода в сплаве:

  1. C

Источник: http://kvadromash.ru/diagramma-zhelezo-uglerod/

Аустенит, феррит, цементит, перлит

Феррит и перлит структура

Ярким примером аллотропии является железо, образующее в зависимости от температуры четыре основных аллотропических видоизменения, которые называют: α-Fе, β-Fe, γ-Fe, δ-Fe.

Аллотропические формы α-Fe — альфа железо, β-Fe — бета железо и δ-Fe — сигма железо имеют кристаллическую решетку в форме центрированного куба ( рис. 1, а).
Аллотропическая форма γ-Fe — гамма железо имеет кристаллическую решетку в форме куба с центрированными гранями (рис. 1, б).

Переход железа из одной формы в другую — при охлаждении происходит с выделением тепла, а при нагревании — с поглощением тепла. Это отмечается на графиках охлаждения или нагревания железа На рис. 2 дан схематический график охлаждения чистого железа.

Ha этой кривой при переходах одной аллотропической формы в другую наблюдаются площадки постоянных температур, а именно:
при t=1535°— затвердевание железа с образованием δ-Fe;

фото кристаллических решеток железа

при t= 1390°—переход δ-Fe — γ-Fe;

при t=898° —переход γ-Fe — β-Fe;

при t=775° —переход β-Fe — α-Fe.

При нагревании железа превращения совершаются в обраном порядке, причем переход β -Fe — > γ-Fe происходит при t= 910°В γ-Fe атомы расположены более тесно, чем в β-Fe, поэьтому переход γ-Fe в β-Fe сопровождается увеличением объема, и наоборот, переход β-Fe в γ-Fe сопровождается уменьшена объема.

Фора γ-Fe не магнитна.

Форма α-Fe магнитна. Форма β-Fe не магнитна, но имеет такую же кристаллическую решетку, как магнитная форма α-Fe — поэтому в металлографическом отношении форма β-Fe отождествляется с формой α-Fe и обе формы условно объединяю под одним названием  α-Fe.

Главную роль в технологических процессах горячей механической и термической обработки железоуглеродистых сплавов играют: α -Fe и γ-Fe.

Рис. 2 Кривая охлаждения железа

Важное значение для термообработки имеет свойство γ -Fe давать с углеродом твердые растворы. Наибольшая растворимость углерода в γ-Fe (до 1,7%) наблюдается при t=1130°. При повышении и понижении температуры от t= 1130° растворимость углерода в γ-Fe понижается.

Твердый раствор углерода и других элементов в γ-Fe называется аустенитом.
α-Fe не образует с углеродом устойчивых твердых растворов, подобно аустениту. Растворимость углерода в α -Fe ничтожна. Твердые растворы небольших количеств С и прочих элементов в α-Fe называют ферритом.

Кроме твердых растворов углерода в железе, в железоуглеродистых сплавах встречается химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe3C, который называется цементитом. Цементит содержит С — 6,67 %.
Аустенит и феррит отличаются пластичностью, феррит, кроме того, — мягкостью. Цементит чрезвычайно тверд и хрупок.

Что такое перлит и эвтектоид

Наблюдения показывают, что этот переход происходит следующим образом: по достижении температур GS по границам Наблюдения показывают, что этот переход происходит следующим образом : по достижении температур GS по границам аустенитовых кристаллов выделяются первые порции α — Fe, т. е. феррита, количество которого постепенно увеличивается.

Так как феррит почти не растворяет углерода, то при переходе γ-Fe -> α-Fe концентрация углерода в остаточном аустените постепенно увеличивается и может быть определена по линии G S в зависимости от температуры. Процесс выделения феррита протекает так до тех пор, пока концентрация углерода не будет соответствовать точке 5, т. е. до С=0,83%, а температура не достигнет t=723°.

В точке S кривая GS пересекается с ES — кривой предельной растворимости углерода в аустените. Поэтому дальнейшее насыщение остаточного аустенита углеродом становится уже невозможным, и последующее охлаждение вызывает окончательный распад аустенита, который совершается при постоянной температуре t=723°.

При этом распаде завершается переход γ- Fe->α-Fe, а выделившийся из кристаллической решетки железа углерод образует частицы цементита F3C. Распад аустенита происходит в стесненном объеме в пределах каждого зерна, поэтому продукты распада (феррит и цементит) образуются в виде тесно перемешанных частиц, обычно в виде чередующихся пластинок феррита и цементита.

Схема изменений структуры сталей при переходе через критические точки

Этот продукт распада аустенита называется перлитом; так как перлит имеет строение, подобное эвтектике, то он называется эвтектоидом. Разница между эвтектикой и эвтектоидом заключается в том, что эвтектика образуется из жидкого раствора, а эвтектоид — из твердого.

Образование перлита начинается и заканчивается при постоянной t=723°.

Так ппявляется феррито-перлитовая структура сталей, которая при дальнейшем охлаждении от t=723° не претерпевает больше никаких структурных изменений.

На рисунке представлены микроструктуры чистого железа и стали при С =0,15% и при С=0,6% (увеличение 100) после травления по-шрованной поверхности микрошлифа 4% раствором HNO3 в этиловом спирте.

Рис. 1. — феррит в чистом железе. Рис. 2 Доэвтектоидная сталь с содержанием С=0,15%

На рис. 1, где показана микроструктура чистого железа, четко выявились границы между светлыми зернами феррита. На рис.

2 представлена микроструктура строительной стали (С=0,15%); светлые поля — это феррит, темные участки — перлит.На рис.

3 приведена микроструктура машиностроительной стали (С=0,6%), из которой изготовляют оси, валы, шатуны и т. п.; большая часть шлифа занята перлитом, а феррит наблюдается только в виде тонкой сетки.

Чем больше углерода, тем больше в структуре стали перлита, состав перлита одинаков (С=0,83%). Строение перлита обычно пластинчатое (рис. 4).

Рис. 3 Доэвтектоидная сталь с содержанием С=0,6%. Рис. 4 Эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит).

Феррит, как было указано выше, представляет собой наиболее мягкую пластичную составляющую железоуглеродистых сплавов; цементит, входящий в состав перлита, наиболее твердую и хрупкую, поэтому с увеличением содержания углерода увеличивается прочность и твердость стали, но пластичность и вязкость уменьшаются

Чтобы строительная сталь была достаточно пластичной, количество перлита в ней не должно превосходить 25%, что соответствует содержанию углерода до 0,2%.

В. тех деталях, от которых требуется большая прочность и твердость, но допустимы меньшая пластичность и вязкость (детали машин), применяются стали с большим количеством перлита, с содержанием С до 0,6%. В строительном деле такие стали применяются, например, для изготовления лопат, опорных частей мостовых ферм.

Возникновение цементно-перлитовой структуры

В сплавах, содержащих больше 0,83% углерода, структурные изменения при переходе через линии АС и А1Е протекают так же. Поэтому ниже линии А1Е структура затвердевшего сплава представляет собой аустенит. При дальнейшем охлаждении структурные изменения наступают тогда, когда достигнута SE —линия предельной растворимости углерода в аустените.

Так как при снижении температуры ниже линии SE растворимость углерода в аустените снижается, то из аустенита выделяется вторичный цементит, который выпадает обычном в виде сетки, окружающей аустенитовые зерна.

Благодаря этому содержание углерода в аустените уменьшается и при t=723° доходит до С=0,83%, что соответствует эвтектоидному составу. Дальнейшее охлаждение вызывает распад аустенита, который постоянной температуре t=723° переходит в перлит.

Таким образом возникает цементно-перлитовая структура, которая при дальнейшем охлаждении уже не претерпевает изменений.

На рис. 1 цементит заметен в виде тонкой светлой сети окаймляющей темные зерна перлита, а на рис. 2 в виде темпе сетки. Стали с цементито-перлитовой структурой вследствие слишком малых пластичности и вязкости неприменимы для изготовления строительных конструкций и деталей машин. Из них делают инструменты, которым термической обработкой придают необходимую высокую твердость.

Рис.1 Заэвтектоидная сталь (после травления 4% раствором HNO3 в этиловом спирте. Рис.2 Заэвтектоидная сталь ( после травления пикратом натрия)

Несколько иначе протекают структурные изменения в сплавах при содержании С>1,7%. Например, из жидкого сплава с содержанием С в пределах 1,7—4,3%, превышающим предельную растворимость углерода в аустените (С=1,7%), по достижении температур линии АС начинают выделяться дендриты аустенита.

Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнута температура линии ЕС. Концентрация углерода в выпадающих дендритах аустенита постепенно изменяется по линии А1Е.

Концентрация углерода в жидком растворе увеличивается по линии АС и при t=1130° достигает С=4,3%, т. е. эвтектической концентрации.

Дальнейшее охлаждение вызывает полный переход жидкого раствора, достигшего эвтектической концентрации, в твердое состояние.

Этот переход происходит при постоянной температуре t= 1130°; в результате образуется эвтектика, представляюшая собой смесь частиц аустенита и цементита—ледебурит.

Таким образом, рассматриваемый сплав непосредственно после затвердевания будет состоять из аустенита и ледебурита.

Дальнейшее охлаждение ниже t=1130° вызывает (вследствие уменьшения растворимости углерода по линии ES) выделение вторичного цементита из дендритов аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита.

Рис. 3 Белый чугун (микроструктура — перли + цеменит + ледебурит)

Выделение вторичного цементита наблюдается при падении температуры в интервале 1130—723°, причем при снижении температуры до t=723° концентрация углерода в остаточном аустените снижается до эвтектоидной концентрации, т. е. до С=0,83%. Дальнейшее охлаждение вызывает окончательный распад остаточного аустенита.

Этот распад происходит при постоянной температуре t=723°, причем весь аустенит (и выпавший в виде дендритов и входящий в состав ледебурита) переходит в перлит. Таким образом, ниже t=723° в структуре рассматриваемого сплава (рис. 3) содержится перлит, вторичный цеменит и видоизмененный ледебурит, состоящий из цеменита (основная масса) и перлита (округлые вкрапления).

Обычно и первоначальный ледебурит и видоизмененный объединяют общим названием ледебурит. Дальнейшее охлаждение не вызывает изменений в структуре сплава.

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями

Источник: https://www.masterovoi.ru/stroy-mat/alfa-beta-sigma-gamma-zhelezo

Слесарю
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: