Диаграмма состояний железо - углерод

1. ДС сплавов железа с углеродом.

Компоненты: Fe_α, Fe_β, Fe_γ

Железо:

d (плотность) ~ 7.68 г/см³

R_Fe ~ 1.25 Å

Углерод:

d ~ 2.5 г/см³

R_C ~ 0.77 Å

 

 

рис. 58

 

Фазовый состав:

1) расплавленная жидкость (ж);

2) твердый раствор внедрения

 

● Fe_α(C), Fe_δ(C) – ОЦК – Феррит (Ф_α, Ф_δ).

Ф_α (max C = 0.02%), Ф_δ (max C = 0.1%).

Феррит содержит очень мало углерода – по свойствам похож на железо. Очень мягкая и пластичная фаза.

НВ ~ 800-1000 МПа

 

● Fe_γ(C) – ГЦК – Аустенит (А)

А (max C = 2.14%)

Пластичная фаза, вдвое тверже феррита.

НВ ~ 1600-2000 МПа;

 

3) промежуточная фаза

Fe₃C (ромбоэдрическая решетка) – Цементит (Ц)

Ц (max C = 6.69%)

Крайне хрупкая, очень твердая фаза.

НВ ~ 8000 МПа.

 

 

Структурный анализ ДС

 

1. Превращения при кристаллизации

Сплавы с содержанием (0 – 2.14)% С

Превращение перитектическое, С = К+1-Ф = 0

Для того, чтобы из 2-х фаз получилась одна необходимо, чтобы было равное соотношение фаз

Если пропорция нарушена, то одна из фаз в избытке.

 

 

 

После затвердевания кристаллизуются все сплавы с содержанием С до 2.14%, состоят они из 1 фазы аустенита.

Ледебуриты:

Крайне хрупкая структура, состав сплавов:

 

Сплавы с содержанием (2.14 - 6.69)% С

Все сплавы после завершения кристаллизации состоят из 2-х фаз А+Ц и все в структуре содержать эвтектику ледебурит.

!!! Наличие или отсутствие хрупкой эвтектики изменяет свойства сплавов и служит признаком для классификации этих сплавов на стали и чугуны.

Стали содержат С < 2.14%, не содержат эвтектику, чугуны содержат С 2.14 – 6.69%, содержат эвтектику.

 

1. Превращения в твердом состоянии

● SE – линия переменной растворимости углерода в аустените. Уменьшается от 2.14 до 0.8 при понижении температуры.

Из аустенита должен выделяться Ц_II;

 

● DQ – линия переменной растворимости углерода в феррите. При понижении температуры уменьшается от 0.02 до 0.006. Из феррита должен выделиться Ц_III;

 

● PSK

(●) S

Эвтектоидное превращение. Перлит. С = 2+1-3 = 0!

Ф ~ 87%, Ц ~ 13%, НВ = 2000 МПа, σ_В ~ 850 МПа, δ ~ 15%

Заключение: При переходе через линию PSK весь имеющийся в сталях и чугунах аустенит превращается в перлит.

 

1. Техническое железо С ≤ 0.02%

Основная фаза феррит, в структуре нет перлита.

 

Стали: С (0.02 – 2.14)%, фазы феррит и цементит, Ф >> Ц, в структуре всегда есть перлит.

 

Чугуны: С (2.14 – 6.69)%, фазы феррит и цементит, Ц ≥ Ф, в структуре всегда есть ледебурит. Из-за огромного количества цементита чугуны по цвету излома называются белыми.

Пример:

 

Чугуны

 

Белые чугуны в технике применить нельзя, т.к. они хрупкие, литейные их качества высокие. Если не устраивают их свойства – меняют структуру. Хрупкость возникает из-за того, что много цементита.

Идея: Fe₃C разложить на Fe (Ф) и С (графит), т.е графитизировать.

 

Доэфтектический чугун: П [ Ф+Ц] + Ц_II + Л [Л [Ф+Ц] +Ц]

- частичная графитизация, П + графит;

- полная графитизация, Ф + графит (хрупкая фаза)

 

Графитизация чугунов

 

I способ – введение Si при выплавке (в присутствии кремния цементит либо не образуется, либо его очень мало).

I – белые чугуны П + Ц + Л[П+Ц], Si мало.

II – половинчатые П + графит + Ц.

III – перлитные [П+графит]

IIIа – феррито-перлитные Ф + П + графит

IIIб – ферритные Ф + графит.

III – серые маркировки, СЧ-45

IIIа – СЧ-25

IIIб – СЧ-15 – самые не прочные.

 

Свойства серых чугунов зависят от структуры основы – чем больше кремния, тем полнее графитизация, тем прочность меньше.

Также свойства зависят от размера, формы графитовых включений.

(1) – графитовые крупные пластинки, наименьшая пластичность, применяют для производства станин;

(2) – графитовые мелкие пластинки – модифицированные, применяют для производства зубчатых колес и корпусов. Соотношение Si-Ca (0.3 – 0.6)%;

(3) – графит шаровидный – модифицирование – Mg ~ (0.02 – 0.08)%, самый пластичный, применяют для производства коленчатого вала.

 

Высокопрочные чугуны ВЧ _ _ (σ_В/σ_U)-_(δ) – старая маркировка;

ВЧ _ _ (σ_В/σ_U) – старая маркировка.

 

Недостаток: из-за Si ухудшаются линейные качества (жидкотекучесть) чугуна. Для тонкостенных отливок серые чугуны не применяют.

 

II способ – применение специальной термической обработки (отжига).

Отжиг белого чугуна на ковкий:

I – форма графита.

Графитовые хлопья – компактные

КЧ _ _ (σ_В/σ_U) [кг/мм²]-_(δ)

КЧ-35-10, КЧ-60-3.

 

Недостаток: длительность процесса.