Железоуглеродистые сплавы. Диаграмма состояния системы железо - углерод

1. Железоуглеродистые сплавы

Диаграмма состояния системы
железо - углерод

2.

3.

Компоненты в системе железо-углерод
Компоненты
1.Железо чистое - металл серебристо-белого цвета, ат. номер 26,
ат. масса 55,85, т-ра плавления – 1539оС, имеет две полиморфные
модификации (ОЦК и ГЦК, см. выше), плотность 7,68 г/см3 ( -Fe)
и 8,1г/см3 ( - Fe); при переходе идет сжатие/
2. Углерод – неметалл (4 группа), ат. номер 6, ат. масса 12,011, т-ра
плавления
3500оС,
плотность
2,5
г/см3; обладает
полиморфизмом(см. рис), растворяется в железе ( в ж. и тв.),
образует Fe3C.
Полиморфные модификации углерода: (а)алмаз,
b) графит, c) лонсдейлит, d) C60; e)C540; f) C70;
g) аморфный углерод; h) однослойная углеродная
трубка

4.

Железо обладает
полиморфизмом:
α – Fe – решетка ОЦК
(до 911 °С);
γ – Fe – решетка ГЦК
(911 - 1392°С);
δ – Fe – решетка ОЦК,
(1392 – 1539°С).
4

5. Полиморфные превращения железа

6.

Фазы в системе железо-углерод
Фазы: жидкий сплав, твердые растворы(феррит и
аустенит), цементит, графит
Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в - Fe ( до
0,02%) и в - Fe ( 0,1%).
Аустенит (А) – твердый раствор углерода в -Fe (2,14%)
Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом
Fe3C. Содержит 6,67% углерода. Температура лпавоения
около 1550 0С.
Графит (Г) - модификация углерода.

7.

8.

Фазовые состояния железоуглеродистых
сплавов в зависимости от состава и
температуры описываются диаграммами
- метастабильного
(железо – цементит) равновесия
и
- стабильного (железо – графит)
равновесия

9.

Диаграмма железо – графит
построена в условиях очень
медленного
нагрева
и
охлаждения (доли градуса в
минуту).
Диаграмма железо – цементит –
в условиях более высоких
скоростей нагрева и охлаждения
(порядка нескольких градусов в
минуту).

10. Диаграмма железо-цементит

11. Двухфазные гетерогенные структурные составляющие

•Перлит (П) –эвтектоидная смесь , состоящая из Ф и Ц. Результат распада А. с содержанием углерода 0,8% при 727 0С и ниже. П. может быть
пластинчатым (ПП) или зернистым (ЗП). ПП образуется пи
ускоренном охлаждении. ЗП образуется при медленном
охлаждении и длительной выдержке.
•Ледебурит (Л) – эвтектическая смесь,
которая образуется из жидкой фазы с содержанием углерода 4,3% при 11470С. В диапазоне 11470С - 727 0С
Л состоит из А и Ц. При т-ре ниже 727 0С А из Л.
превращается в П.

12. Линии диаграммы Fe – Fe3C

ABCD – линия ликвидус, начало кристаллизации
жидкости при охлаждении в равновесных условиях;
AHIECF
–
линия
солидус,
окончание
кристаллизации жидкости при охлаждении в
равновесных условиях;

13. Основные линии на диаграмме железо-цементит

ABCBD
Линия ликвидуса
AHJECF
Линия солидуса
GS (А3)
Линия превращения А в Ф
SE (Аm)
Линия предельной
растворимости С в А
PQ
Линия предельной
растворимости С в Ф
HJB
Линия перитектического
превращения
PSK
(А1)
Линия перлитного
(эвтектоидного) превращения
(7270С)
ECF
Линия ледебуритного
(эвтектического)превращения
(11470С)
АВ, ВС,
СВ
Линия начала выделения из
жидкой фазы Ф, А и Ц
,соответственно
GS и ES
Линии температур начала
вторичных превращений

14.

HIB – линия
перитектического
превращения (1496°C)
δН + LВ → γI

15.

ECF – линия эвтектического
превращения – часть линии
солидус (1147°C)
LС → γЕ + Fe3CF

16.

РSK – линия эвтектоидного
превращения (727°C)
γS → αP + Fe3C K

17.

NH – линия начала полиморфного
превращения твердого раствора
δ→ γ при охлаждении, верхняя
граница фазовых областей δ и
(γ + δ).
NI – линия конца полиморфного
превращения твердого раствора
δ→ γ при охлаждении, критическая
точка в сталях – А4 (Ас4, Аr4).

18.

GS–
линия
начала
полиморфного
превращения
твердого раствора γ→ α при
охлаждении, критическая точка
в сталях – А3 (Ас3, Аr3).
GP
–
линия
конца
полиморфного
превращения
твердого раствора γ→ α при
охлаждении.

19.

SЕ – линия переменной
ограниченной
растворимости углерода в
аустените (γ), критическая
точка в сталях – Аcm.

20. Характерные точки диаграммы состояния железо-цементит

21. Фазовые и структурные составляющие диаграммы железо-цементит

Фазовые составляющие
• Феррит
• Аустенит
• Цементит
Структурные составляющие
• Феррит
• Аустенит
• Цементит
• Перлит (Ф+Ц)
• Ледебурит (А+Ц)

22. Фазовая и структурная диаграммы состояния железо-цементит

Фазовая диаграмма
Структурная диаграмма

23. Механические свойства структурных составляющих в системе железо-цементит

24. Диаграмма железо-графит (стабильное состояние)

• При очень медленном охлаждении из расплава в процессе
кристаллизации углерод выделяется в виде графита
(графитизация).
• Графитизация может происходить при кристаллизации из
жидкой фазы и (или) в твердом состоянии за счет распада Ц
на А и свободный графит (Г).

25. Фазовая и структурная диаграммы состояния железо-графит

Фазовая диаграмма
Структурная диаграмма

26. Совмещенная диаграмма состояния железо-графит/цементит (упрощенный вариант)

Совмещенная диаграмма состояния железографит/цементит
Сплошные линии – «цементитная» система.
Пунктирные линии – «графитовая» система.
Совмещенная диаграмма состояния железографит/цементит (упрощенный вариант)

27. Структура железоуглеродистых сплавов на шлифах

28.

29. Стали и чугуны

• Основные сплавы железа с углеродом – сталь и чугун.
• Чугун — железоуглеродистый сплав, в котором содержание
углерода превышает 2,14%.
• Сталь — сплав железа с углеродом, содержащий углерода не
более 2,14%.

30. Стали и чугуны

31. Отличие чугуна от стали

32.

33. Чугуны

• Чугун – сплав железа с углеродом, содержащий
углерод от 2,14 до 6,67%.
• Чугун содержит также кремний (Si), марганец
(Mn), серу (S) и фосфор (Р).
• Чугун делят на:
- по структуре – на белый, серый и ковкий
- по химическом составу – на легированный и
нелегированный

34. Получение чугуна

35.

36. Примеси в чугунах

- Основные примеси в чугунах – Mn, Si, S, P. Примесей в
чугунах значительно меньше чем в сталях.
Si - усиливает графитизацию, улучшает литейные свойства (
в серых чугунах 0,8-4,5%%);
Mn
–
препятствует
графитизации,
способствует
отбеливанию, увеличивает твердость и прочность чугуна (
до 1,2 – 1,4%);
S - способствует отбеливанию чугуна, но снижает литейные
свойства и повышает хрупкость (до 0,08%);
Р – не влияет на графитизацию, но улучшает литейные
свойства и образует легкоплавкую эвтектику («стэдит») с
температурой плавления 9500С, но с ростом содержания Р
увеличивается хрупкость (до 0,4%)

37. Классификация чугунов по структуре

38. Виды и свойства чугуна

39. Белые чугуны

40. Белые чугуны (Маркировка белых чугунов не установлена)

41. Серые чугуны. Форма графита в чугунах

42. Тип чугуна и форма графита в серых чугунах

43. Ковкий чугун

44. Механические свойства ковкого чугуна и маркировка

45. Применение ковких чугунов

• Ковкий чугун по механическим свойствам находится
между сталью и серым чугуном.
• КЧ
обладает высокими показателями текучести,
износостойкости,
прочности,
хорошими
антикоррозионными
свойствами.
При
низких
температурах К становится достаточно хрупким и
боится ударных нагрузок.
• КЧ используют в производстве трубопроводной
арматуры для газа и воды. КЧ широко применяют в
машиностроении,
автомобилестроении,
железнодорожном транспорте.

46. Изделия из ковкого чугуна

47. Серый чугун

• В серых чугунах графит имеет
пластинчатую форму. Излом из-за
наличия графита имеет серый цвет.
•Состав СЧ: 3,2-3,5% углерода, 1,9-2,5% кремния, 0,5-0,8%
марганца, 0,1-0,3% фосфора и менее 0,12% серы.
•СЧ получают при медленном охлаждении металла при
литье изделий, а также при повышенном содержании
кремния, углерода.
•Высокие литейные свойства (низкая температура
кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая
усадка).
•Пластинчатые
включения
графита
ослабляют
металлическую основу, поэтому СЧ имеет самые низкие
прочностные и пластичные свойства среди все
машиностроительных чугунов

48. Механические свойства серого чугуна и маркировка

49. Применение серого чугуна

50. Высокопрочный чугун

• ВЧ получают из серого чугуна
путем модифицирования жидкой фазы
магнием или церием (0,05%). Модификаторы
способствуют
формированию
шаровидных
включений графита, которые не
являются
концентраторами напряжений, что
способствует
повышению прочностных свойств ВЧ.
•ВЧ содержит 2,7-3,7%С, 1,6-2,7 % Si, 0,5-0,6% Mn,
до 0,10%S, до 0,10%P/
•ВЧ
имеют высокие литейные
свойства,
обрабатываемость, резанием,
упрочняемость и
прокаливаемость

51. Механические свойства и маркировка высокопрочного чугуна

52. Области применения высокопрочного чугуна

• Отливки из ВЧ используют:
- в автостроении и дизелестроении - для коленчатых
валов, крышек цилиндров и других деталей;
- в тяжелом машиностроении
- для деталей
прокатных станов;
- В кузнечнопрессовом оборудовании;
- В химической и нефтяной промышленностях – для
корпусов насосов, вентилей и т.д.

53. Изделия из высокопрочного чугуна

54. Сравнение свойств СЧ, КЧ и ВЧ

55. Сравнение свойств СЧ и ВЧ

Сравнение свойств чугунов

56. ЕЩЕ РАЗ ПРОСМАТРИВАЕМ ПРЕЗЕНТАЦИЮ И ОБЯЗАТЕЛЬНО СМОТРИМ СООТВЕТСТВУЮЩИЕ РАЗДЕЛЫ В УЧЕБНЫХ МАТЕРИАЛАХ!!