Schéma železo-uhlík. Schéma stavu systému železa a uhlíku

Je těžké si představit moderní stavbu,strojů, strojů a dalších důležitých odvětvích bez použití hlavních kovových slitin z oceli a litiny. Jejich výroba převyšuje všechny desítky časů.

Pokud uvažujeme ocel a litinu z hlediskataková věda jako věda o kovu, centrální postava je schéma stavu slitin železa a uhlíku, což nám umožňuje získat podrobné náměty o složení a strukturálních přeměnách v těchto materiálech. A také seznámit se s jejich fázovým složením.

Historie objevu

Poprvé, když v slitinách (ocelí a litých žehličkách)existují jisté (zvláštní) body, poukázal na velký metalurg a vynálezce - Dmitrij Konstantinovič Černov (1868). Byl to ten, kdo učinil důležitý objev o polymorfních transformacích a je jedním z tvůrců schématu stavu železa a uhlíku. Podle Černova je pozice těchto bodů na diagramu přímo závislá na procentu uhlíku.

A co je nejzajímavější, je od okamžiku tohoto objevu, že taková věda jako metalografie začíná svůj život.

Schéma slitin železa s uhlíkem je výsledkem ustálené práce vědců z několika zemí světa. Všechna abecední označení hlavních bodů a fází v diagramu jsou mezinárodní.

Koncept schématu

Grafické znázornění procesů probíhajících v roce 2008slitina se změnou teplotního režimu, koncentrace látek, tlak, se nazývá stavový diagram. Umožňuje vizuálně a vizuálně zobrazit všechny transformace vyskytující se ve slitinách.

Prvky diagramu železo-uhlík

Stručné informace o každém z těchto prvků.

Železo je stříbřitě šedý kov. Specifická hmotnost - 7, 86 g / cm3. Má teplotu tání 1539 ° C.

Když se železo a jiné kovy vzájemně ovlivňují, vytvářejí se sloučeniny nazvané substituční roztoky. Pokud s nekovy, například s uhlíkem nebo vodíkem, pak - řešení implantace.

Železo má schopnost, původněsolidní, být v několika státech, které v metalurgii je obvyklé nazývat "alfa" a "gamma". Tato kvalita se nazývá polymorfismus. O tom později v článku.

Uhlík je nekovový. Pokud se objeví jako grafit, pak je teplota tání 3500 ° C. Je-li oba diamant 5000 ° C. Hustota uhlíku je 2,5 g / cm³. Má také polymorfní vlastnosti.

V slitinách železa a uhlíku tvoří tento prvek pevný roztok, jehož složení je ferrum nazývaný cementite (Fe₃C). Také tvoří grafit v litině.

Schéma slitiny železa a uhlíku

Výsledkem vzájemného působení vzájemných diagramů je získání cementitu - chemické sloučeniny.

Zpravidla se při studiu schématu od studentů kovů považují všechny stabilní vazby za součásti a samotný grafický obraz se zkoumá částečně.

Také ve třídě je na schématu železa a uhlíku vykreslena chladicí křivka: je vybráno procento uhlíku a pak je nutné určit, která fáze odpovídá teplotě v diagramu.

K tomu, kromě samotného diagramunakreslit souřadný systém (teplota-čas). Počínaje maximálním stupněm, postupujte postupně směrem dolů a zobrazte křivku a části přechodu z jedné fáze do druhé. V tomto případě je nutné je volat a označit typ krystalové mřížky.

Dále uvažujme podrobněji grafické znázornění diagramu stavu železa a uhlíku.

Nejprve má dvě formy (části):

• železo-cementit;
• železo-grafit.

Za druhé, slitiny, ve kterých jsou hlavními "herci" ferrum a uhlík, jsou obvykle rozděleny do:

• oceli;
• žehličky.

V případě, že uhlíku ve slitině je menší než nebo rovno 2,14% (bod E ve schématu) této oceli, je-li více než 2,14% - železo. Z tohoto důvodu je diagram rozdělen do dvou fází.

Polymorfní transformace

Více o každé fázi o něco později v článku. Stručně řečeno, realizace hlavních transformací nastává při specifických teplotách.

Stav železa je označen jako α-ferrum (při teplotě nižší než 911 ° C). Křišťálová mřížka je objemová krychle orientovaná na obličej. Nebo BCC. Vzdálenost mezi atomy takové mřížky je poměrně vysoká.

Železo získá gama modifikaci, tj. Označuje jako γ-ferrum (911-1392 ° C). Křišťálová mřížka je tvář-centrovaná kostka (fcc). V této mřížce je vzdálenost mezi atomy nižší než v bcc.

Když α-ferrum projde do γ-ferrumu, objem hmotyse zmenší. Důvodem je krystalová mřížka - její forma. Protože fcc mřížka má více uspořádaný stav atomů než bcc.

Pokud se přechod uskutečňuje v opačném směru - od γ-ferrumu k α-ferrumu, zvyšuje se objem slitiny.

Když teplota dosáhne 1392 ° C (aleméně než je teplota tání železa 1539 ° C), pak se α-ferruum přemění na δ-ferrum, ale není to jeho nová forma, ale pouze odrůda. Navíc, δ-ferrum je nestabilní struktura.

Vlastnosti technicky čistého železa

Magnetické vlastnosti železa při různých teplotách:

• méně než 768 ° C - feromagnetický;
• více než 768 ° C - paramagnetické.

Teplotní bod 768 ° C se nazývá magnetický konverzní bod nebo bod Curie.

Vlastnosti technicky čistého železa:

• tvrdost - 80 HB;
• dočasný odpor 250 MPa;
• mez kluzu - 120 MPa;
• prodloužení o 50%;
• relativní zúžení - 80%;
• vysoký modul pružnosti.

Karbid ze železa

Grafický pohled na součást diagramu železo-uhlík: Fe3C. Látka se nazývá karbid železa nebo cement. Je charakterizován:

1. Obsah uhlíku je 6,67%.
2. Specifická hmotnost je 7,82%.
3. Křišťálová mřížka má kosočtvercový tvar, skládající se z oktaedru.
4. Tavení se provádí při teplotě asi 1260 ° C
5. Nízké feromagnetické vlastnosti při nízkých teplotách.
6. Tvrdost je 800 HB.
7. Plasticita je prakticky nulová.
8. Karbid železa tvoří pevné roztokysubstituce, ve kterých jsou atomy uhlíku jsou nahrazeny atomy nekovů (dusíku), a atomů železa - kovy (chrom, wolfram, mangan). Tato pevná konstrukce názvem dopované.

Jak bylo uvedeno výše, cementite jenestabilní fáze a stabilní grafit. Vzhledem k tomu, že první látka je nestabilní sloučenina, rozkládá se za určitých teplotních podmínek.

Ve schématu železo-uhlík existují takové stavy:

• kapalná fáze;
• ferit;
• austenit;
• cementite;
• grafit;
• perlit;
• ledeburite.

Každou z nich uvažujme podrobně.

Kapalná fáze

Ferrum v kapalném stavu dobře rozpouští uhlík. To je bez ohledu na to, do jaké míry jsou v procentech. V důsledku toho se vytvoří homogenní kapalná hmota.

Ferit

Je pevným roztokem zabudování uhlíku doα-ferrum. Může být také zahrnuto malé množství nečistot. Ale ferit má téměř stejné vlastnosti jako čisté železo. Pokud budeme uvažovat o struktuře pod mikroskopem, uvidíme polyhedrální zrnky světelného tónu.

Stává se to:

• při nízké teplotě (při teplotě 727 ° C, 0,02% uhlíku, rozpustnost);
• Vysoká teplota (při 1499 ° C rozpustnost uhlíku je 0,1%), nebo se nazývá δ-ferrum.

Vlastnosti feritu:

• tvrdost - 80-120 HB;
• dočasný odpor 300 MPa;
• prodloužení je 50%;
• má dobré magnetické vlastnosti (až do teploty 768 ° C).

Austenit

Jedná se o pevný roztok inkorporace uhlíku vγ-ferrum. Může také existovat malé množství nečistot. V krystalové mřížce je uhlík ve středu fcc buňky. Při zvážení struktury austenitu pod mikroskopem je vidět jako lehká zrna polyhedrálního tvaru s dvojčaty.

Má následující charakteristiky:

1. Rozpustnost uhlíku v γ-ferrumu je 2,14% (při teplotě 1147 ° C).
2. Tvrdost austenitu 180 HB;
3. Prodloužení - 40-50%;
4. Dobré paramagnetické vlastnosti.

Cementite a jeho formy

Prezentace v těchto fázích: C 1, C 2, C 3 (primární, sekundární a terciární cementit).

Pokud jde o fyzikálně-chemické parametry těchto tří stavů, jsou přibližně stejné. Mechanické vlastnosti jsou ovlivněny velikostí částic, jejich počtem a polohou.

Podle diagramu je také zřejmé, že:

• U1 je tvořen z kapalného stavu (pod mikroskopem je viděn jako velká deska);
• Z2 - z austenitu (usazování kolem jeho zrna ve formě mřížky);
• C3 - z feritu (nachází se na hranicích feritových zrn ve formě jemných částic).

Perlit a ledeburite

Směs feritu a cemenitu se nazývá perlit. Vzniká při rozkladu austenitu (při teplotě nižší než 727 ° C). Při zvětšení má tato struktura tvar desek nebo zrn.

Perlit s postupným poklesem teploty je přítomen ve všech slitinách s obsahem uhlíku 0,02-6,67%.

Ledeburite je směs austenitu a cementu. Vzniká z kapalné fáze po ochlazení na teplotu pod 1147 ° C.

Litina

Slitiny ve schématu železo-uhlík, kterýobsahují uhlík více než 2,14%, se nazývají litiny. Jsou velmi křehké. Průřez takového litého železa má světelný tón, a proto se nazývá bílé železo.

V diagramu je to bod C, nazvaný eutektický,s odpovídajícím obsahem uhlíku 4,3%. Během krystalizace se vytvoří směs tvořená austenitem a cementitem, společně nazývaným ledeburite. Fázové složení je konstantní.

Při koncentraci uhlíku menší než 4,3%(pre-eutektická litina) během krystalizace, austenit je uvolněn z roztoku. Pak z něj je přidělen Ts2. A při 727 ° C se austenit změní na perlit. Strukturální stav takového litého železa je následující: velké plochy tmavého perlitu.

V hypereutektické bílé litině (více uhlíku4,3%) po ochlazení probíhá strukturování při tvorbě krystalů CI. Další transformace jsou již provedeny v pevném stavu. Struktura je ledeburite, což je pozadí pro tmavé perlitové pole. A velké vrstvy jsou CI.

Závěry

Není možné dosáhnout absolutní rovnováhy, fyzikální i chemické, s výjimkou speciálních laboratorních podmínek.

V praxi lze rovnováhu přiblížitAbsolutní, ale za určitých podmínek: dostatečně pomalé zvýšení nebo snížení teploty slitiny, které bude trvat dlouhou dobu.