Чем отличаются fea и fey
Полиморфное превращение в железе.
Во многих металлах при изменении температуры происходит перегруппировка атомов, кристаллическая решетка одного вида переходит в другой. Это явление называется аллотропией или полиморфизмом, а различные кристаллические формы одного вещества называют полиморфными модификациями.
Полиморфные модификации обозначаются греческими буквами α, β, γ, δ и т.д., причем α соответствует модификации, существующей при наиболее низкой температуре.
Суть полиморфного превращения заключается в том, что при нагревании в твердом металле возникают новые центры кристаллизации, что приводит к образованию новой решетки. При формировании кристаллической решетки температура остается постоянной, так как при нагревании формирование происходит с поглощением тепла, а при охлаждении – с выделением тепла. Полиморфное превращение – это кристаллизационный процесс и на кривой нагревания (охлаждения) изображается горизонтальной линией.
В результате полиморфного превращения образуются зерна, имеющие другой размер и форму по сравнению с исходными зернами. При переходе из одной полиморфной модификации в другую меняются все свойства металлов.
Важнейшее значение в технике имеют полиморфные превращения в железе (Рис. 5). Железо может существовать в нескольких модификациях.
Рисунок 5. Кривая охлаждения чистого железа.
До температуры 1539ºС железо остается жидким. При температуре 1539ºС начинается кристаллизация и образуется δ-железо, имеющее кубическую объемно-центрированную решетку. Между температурами 1400 и 910ºС происходит перестройка этой решетки в новую модификацию – γ-железо с образованием кубической гранецентрированной решетки. Ниже температуры 910ºС железо переходит в новую форму – α-железо с кубической объемно-центрированной решеткой. При температуре 768ºС происходит последняя температурная остановка с образованием магнитной формы α-железа, в которой сохраняется объемно-центрированная решетка.
Подобные полиморфные превращения происходят и с другими металлами, но при иных критических температурах.
Железо, его совйства, полиморфные превращения чистого железа
Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.Собственно, железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al[2]). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.
Свойства: Оно пластично, легко куется как в холодном, так и нагретом состоянии, поддается прокатке, штамповке и волочению. Способность растворять углерод и других элементы служит основой для получения разнообразных железных сплавов. Железо может существовать в виде двух кристаллических решеток: α- и γ-объемноцентрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК). Ниже 910°С устойчиво α-Fe с ОЦК-решеткой (а = 2,86645Å при 20 °С). Между 910 °С и 1400°С устойчива γ-модификация с ГЦК-решеткой (а = 3,64Å). Выше 1400°С вновь образуется ОЦК-решетка δ-Fe (a = 2,94Å), устойчивая до температуры плавления (1539 °С). α-Fe ферромагнитно вплоть до 769 °С (точка Кюри). Модификации γ-Fe и δ-Fe парамагнитны.
Некоторые металлы (железо, титан, кобальт, цирконий и др.) при разных температурах имеют различные кристаллические решетки. Такое явление называется полиморфизмом или аллотропией. Процесс перехода из одного кристаллического строения в другое называется полиморфным (аллотропическим) превращением.
Строение, получающееся в результате полиморфного превращения, называется аллотропической формой. Аллотропическая форма, устойчивая при более низкой температуре, обозначается индексом a, при более высокой – b, g и т. д.
Температура, при которой происходит переход решетки из одного вида в другой, называется температурой полиморфного превращения или температурой перекристаллизации. При этом изменяются свойства металла (плотность, теплопроводность, теплоемкость и др.).
Аллотропические превращения при нагревании происходят с поглощением тепла, а при охлаждении – с его выделением. Как при нагревании, так и при охлаждении аллотропические превращения происходят с некоторым запаздыванием. Так, температура превращения a-модификации в b-модификацию, происходящего при нагревании, будет всегда выше температуры превращения b в a, происходящего при охлаждении. Такое явление называется гистерезисом.
До температуры 1539 °С происходит охлаждение жидкого железа. При 1539 °С на кривой охлаждения появляется площадка. При этой температуре железо затвердевает, и выделяется скрытая теплота кристаллизации. По окончании кристаллизации и до температуры 1392 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Fea ).При 1392 °С на кривой появляется вторая площадка, связанная с аллотропическим превращением a-железа (Fea) в g-железо (Feg), имеющее гранецентрированную кубическую решетку.При аллотропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые. Такое превращение аналогично процессу кристаллизации: вначале образуются зародыши, а затем идет рост зерен новой модификации. Такое превращение является перекристаллизацией. Следующая площадка наблюдается на кривой охлаждения при температуре 911 °С по причине превращения Feg в Fea. Кристаллическая решетка превращается из гранецентрированной опять в объемно-центрированную кубическую, которая сохраняется до самых низких температур.Площадка на кривой охлаждения, соответствующая температуре 768 °С, связана не с перестройкой кристаллической решетки, а с перестройкой электронных оболочек атомов и изменением магнитных свойств. Ниже 768 °С железо магнитно, а выше – немагнитно.Иногда немагнитное железо Fea называют Feβ, а высокотемпературную модификацию Fea (в интервале 1392…1539 °С) – Fed. Полиморфные превращения протекают как в чистых металлах, так и в сплавах.
Fe-Fe3C
Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит. Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом. В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом. Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен. В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.
Аустенит — высокотемпературная гранецентрированная модификация железа
Ниже температуры 912 °С железо называют ферритом или альфа-железом. Атомы в феррите организованы в объемноцентрированную (ОЦК) кристаллическую структуру. Выше 912 °С железо называют аустенитом или гамма-железом.
Атомы в аустените организованы в гранецентрированную (ГЦК) кристаллическую структуру. Нагрев феррита до 912 °С приводит к образованию мельчайших зерен аустенита на границах ферритных зерен. Дальнейший нагрев приводит к росту этих новых аустенитных зерен с полной заменой старых ферритных зерен на новые аустенитные — происходят превращения в железе.
При охлаждении ниже температуры 912 °С в железе происходят превращения такого же типа, только в обратном направлении – зерна феррита заменяют аустенитные зерна.
Превращение феррита в аустенит
Если чистое железо нагреть до температуры 912 °С, то в нем происходят некие «чудесные» превращения: кристаллическая структура железа спонтанно превращается из объемноцетрированной кубической (ОЦК) в гранецентрированную кубическую (ГЦК). Эти обе структуры железа показаны на рисунках 1 и 2.
Как и говорят их названия, в (ОЦК)-структуре атомы находятся по углам куба и в его центре, а в (ГЦК)-структуре – по углам куба и в центре из каждой из шести граней куба. Как и низкотемпературная (ОЦК)-структура, (ОЦК)-структура имеет два названия: аустенит и гамма-железо (γ-железо).
Буква γ – третья буква в греческом алфавите.
Бета-железо
Есть в превращении железа и свои загадки. Где бета-железо (β-железо), по второй букве греческого алфавита? Ответ такой: раньше такое железо «было», а сейчас – его уже нет.
Дело в том, что когда ученые открыли структуру железа в конце 19-го века, из-за магнитного перехода железа при 770 °С, они решили, что существует еще одно превращение железа: из альфа-железа в бета-железо.
Потом оказалось, что это была ошибка (и так бывает у ученых!), и β-железо просто «отменили».
Превращение ферритных зерен в аустенитные
Когда ферритное железо нагревают до температуры 912 °С, старый состав ферритных зерен изменяется в новый состав зерен, уже аустенитных — в железе происходит превращение.
Представьте, что ферритная зеренная структура только что достигла температуры превращения. Сначала мы видим образование новых, очень мелких аустенитных зерен, которые накладываются на старые границы ферритных зерен. Потом эти зерна растут, пока все старые ферритные зерна не исчезнут.
При превращении феррита в аустенит происходит два важных явления:
1) Также как и при превращении льда в воду, превращение железе из феррита в аустенит требует тепловой энергии. Поэтому при нагреве температура железа будет оставаться при температуре около 912 °С, пока все ферритные зерна не превратятся в аустенитные.
2) При превращении феррита в аустенит происходят объемные изменения. Плотность аустенита на 2 % выше, чем феррита, что означает, что атом аустенита занимает меньший объем, чем атом феррита.
Все превращения в железе, которые происходят при его нагреве, изображены схематически на рисунке 3.
Рисунок 3
Эксперименты с превращениями в железе
Два простых эксперимента наглядно демонстрируют фазовые превращения в железе.
Эксперимент №1. Нагреть железный пруток до температуры выше 770 °С и подвесить его охлаждаться на воздухе. Поднести к прутку магнит. Когда температура достигнет 770 °С, горячий пруток начнет притягиваться к магниту. Как показывает диаграмма на рисунке 4 феррит (альфа-железо) является магнитным только ниже 770 °С, аустенит (гамма-железо) никогда не бывает магнитным.
Эксперимент №2. Железную проволоку натянуть горизонтально между двумя электрическими изоляторами на расстоянии около 1 м. Подвесить небольшой груз в центре проволоки. Пропустить через проволоку электрический ток так, чтобы нагреть проволоку выше 912 °С – до оранжево-желтого цвета.
Поднимать напряжение нужно медленно с помощью источника тока с переменной мощностью. Когда проволока нагреется, она удлинится и груз немного опустится. После этого нужно отключить от проволоки напряжение и наблюдать ее охлаждение в затемненной комнате.
При достижении проволокой температуры 912 °С можно наблюдать два явления:
1) Когда проволока будет охлаждаться, будет происходить уменьшение ее длины, и грузик начнет подниматься.
Однако при 912 °С будет наблюдаться временное опускание груза: как раз в то время, когда аустенит перейдет в феррит с меньшей плотностью и от этого проволока немного удлинится.
2) Тепло, которое выделяется при превращении аустенита в феррит, будет приводить к видимому мерцанию цвета нагретой проволоки.
ПОИСК
| Рис. 58. Полиморфные модификации железа |  |
Железо полиморфно и в зависимости от температуры существует в четырех аллотропических формах (модификациях), связанных обратимыми переходами [c.39]
В чем различие свойств а- и у-модификаций железа и какое значение это имеет для производства [c.53]
Модификации железа различаются типом кристаллической решетки, удельным объемом, теплоемкостью, магнитными и механическими свойствами и растворимостью в них углерода (табл. 3.1). [c.39]
Железо имеет четыре модификации (рис. 235). До 770 С устойчиво a-Fe с объемноцентрированной кубической решеткой и ферромагнитными свойствами. При 770 С a-Fe переходит в P-Fe у него исчезают ферромагнитные свойства и Железо становится парамагнитным, но кристаллическая структура его с/щественно не изменяется.
При 912°С происходит полиморфное превращение, при котором изменяется структура кристалла из объемноцентрированной переходит в гранецентрированную кубическую структуру y-Fe, а металл остается парамагнитным.
При 1394°С происходит новый полиморфный переход и сЗразуется б-Fe с объемноцентрированной кубической решеткой, которое существует вплоть до температуры плавления железа (1539°С). [c.582]
Правилами ШРАС/ШВ [12] приняты английские трехбуквенные сокращения тривиальных названий аминокислот, начинающиеся с прописной буквы Gly, Ala, Туг и т. д. (применяемые либо для всей молекулы аминокислоты, либо для ее радикала) особенно часто такие сокращения применяются для описания аминокислотной последовательности в пептидах и белках.
Разрешена также [13] и однобуквенная система сокращений, но она применяется гораздо реже. Имеются также правила номенклатуры, касающиеся часто применяемых сокращений для синтетических пептидов [14], для синтетических модификаций природных пептидов [15], пептидных гормонов [16] и белков, содержащих железо и серу [17]. [c.
Модификацией синтеза Фишера—Тропша является так называемый жидкофазный ли пенный процесс, в котором в качестве катализатора используют тонкий железный порошок, замешанный в виде шлама в масле синтез-газ барботирует через слой катализатора.
Для приготовления катализатора полученную сжиганием карбонила железа в токе кислорода красную окись железа пропитывают карбонатом или боратом калия, формуют в кубики и выдерживают их в токе водорода до восстановления примерно /з присутствующей окиси. Карбонат или борат берут в таком количестве, чтобы, в готовом катализаторе на 1 часть железа приходилась 1 часть К2О.
Полученный катализатор тонко размалывают в масле в атмосфере углекислоты. На 1 масла в пасте должно быть 150—300 кг железа. [c.117]
Железо имеет несколько полиморфных модификаций, отличающихся расположением атомов в кристалле. При нормальных условиях стабильна модификация железа, отличающаяся сильным магнетизмом. Будучи нагретым до 769 °С, железо теряет ферромагнитные свойства и при дальнейших превращениях остается немагнитным вплоть до температуры плавления 1539 °С. Кипит расплавленное железо при температуре около 3200 °С. [c.156]
Левая часть диаграммы (до точки Е) описывает превращения, происходящие в сталях, то есть в сплавах с содержанием углерода до 2,14%. Правая часть — превращения, происходящие в чугунах — сплавах с содержанием углерода от 2,14 до 6,67%.
Так как цементит (карбид железа РедС) представляет собой как химическое соединение самостоятельный компонент системы, диаграмма состояния ограничивается этим содержанием углерода. К тому же, сплавы, содержащие более 6,67% углерода, практического значения не имеют.
Таким образом, в диаграмме левая ордината характеризует чистое железо в а-модифика-ции до точки О и в у-модификации в интервале точек О и А. Правая ордината соответствует цементиту. [c.41]
По содержанию углерода черные металлы делят на две основные группы стали, (менее 2,14% С) и чугуны (более 2,14% С). Так как это количественное различие связано с особенностями модификаций железа и структурой металла (см. 3.1), подобная классификация является естественной классификацией. [c.43]
В каких модификациях может существовать металлическое железо [c.53]
Впрочем, известно и немало веществ, теплоемкость которых существенно отклоняется от указанного значения, что можно объяснить только с привлечением квантовой механики (гл. 3).
Изменение теплоемкости происходит также вблизи температур перехода вещества из одной модификации в другую (например, вблизи точки Кюри железа 1045 К, когда ферромагнитное железо переходит в парамагнитное). [c.23]
Применение методов высокотемпературной рентгенографии для изучения полиморфизма железа позволило получить ряд принципиальных результатов.
Наибольшее применение в порошковой металлургии углерод в модификации графита нашел применение в конструкционных, триботехнических (антифрикционных, фрикционных) и электротехнических материалах. Такие материалы хорошо известны железо-графит, бронза-графит, медь-графит и др. Годовое потребление графита для этих нужд по республике Беларуси составляет около 10 тонн. [c.100]
Твердое железо обладает способностью растворять в себе многие элементы. В частности, растворяется в железе и углерод. Его растворимость си.льно зависит от кристаллической модификации железа и от температуры.
Углерод растворяется в 7-железе гораздо лучше, чем в других полиморфных модификациях железа. Раствор углерода в 7-железе термодинамически устойчив в более широком интервале температур, чем чистое 7-железо.
Твердый раствор углерода в а-, /3-, 5-железе называется ферритом, твердый раствор углерода в 7-железе — аустенитом. [c.618]
Аустенит представляет собой фазу внедрения атомов углерода между атомами железа в гранецентрированной кубической решетке 7-железа (рис. 32,1).
Но в связи с большим значением параметра кристаллической решетки 7-железа, чем у его остальных модификаций, углерода содержится значительно больше (до 2,14% (масс.)).
Атомы углерода располагаются в центре куба и посередине ребер элементарной ячейки. [c.618]
Диаграмма состояния системы Fe—С сложнее, чем рассмотренные ранее основные типы диаграмм состояния металлических систем. Однако все ее точки, кривые и области подобны тем, которые были описаны в разд. 12.2.
Особенности ее обусловлены уже упомянутыми обстоятельствами существованием двух модификаций кристаллического железа, способностью этих модификаций образовывать твердые растворы с углеродом, способностью железа вступать в химическое соединение с углеродом, образуя цементит. [c.619]
Наименьшую величину ПР имеет 2п8. Поэтому он может быть осажден не только в слабощелочной и нейтральной, но и в слабокислой среде с рН 2.
Сульфид никеля известен в виде трех (а, р и 7), а сульфид кобальта в виде двух (аи 3) модификаций, отличающихся своей растворимостью.
Свежеосажденные сульфиды а-модификации более растворимы, но при стоянии сравнительно быстро переходят в менее растворимые формы. Поэтому сульфиды марганца, железа и цинка легко растворяются в разбавленных [c.258]
А. Выше температуры 768 °С железо теряет ферромагнитные свойства и переходит в немагнитную модификацию р.
Эта модификация устойчива до температуры 916 °С, выше которой образуется у-модификация с кубической гранецентрированной структурой.
Она устойчива до 1392 °С, а выше этой температуры 7-модификация трансформируется в б-модификацию с кубической объемно-центрированной структурой. [c.162]
Еще более сильное взаимодействие между атомами металлов приводит к образованию растворов не только в жидком, но и в твердом состоянии.
При кристаллизации жидкого раствора из расплава выпадают кристаллы твердого раствора двух или более металлов и сплав получается гомогенным.
Структуры полиморфных модификаций отличаются друг от друга по координационным числам. Примером может служить полиморфизм хлористого аммония. Одна из модификаций кристаллизуется в структурном типе s l (к. ч.
Модификации I и III очень гигроскопичны и всегда гидратированы. Их дегидратация обратима. Модификация II безводная. Модификация I образует пластинки с прямым погасанием модификация II — призмы моноклинного облика модификация III — удлиненные пластинки с косым погасанием [65]. [c.
В лабораторных опытах с этим катализатором из чистых и-бутепов были получены предельные выходы бутадиена порядка 85% при 20%-ной конверсии и 72% при 40%-ной конверсии. Одиако во время заводских опытов с менее чистым бутеновым сырьем была достигнута более низкая избирательность (от 70 до 80% при конверсии 20—25%).
Активным дегидрирующим компонентом катализатора является железо. Предполагается, что медь в какой-то мере также способствует повышению активности катализатора и служит также стабилизатором. Калий, присутствующий, по-видимому, в виде КаСОд, является промотором и способствует взаимодействию отложившегося кокса с паром.
Сравнимых результатов можно достичь только путем применения очень дорогих рубидиевых и цезиевых промоторов. Во время работы катализатора содержание промотора снижается, однако количество его можно восполнить подачей с сырьем или водяным паром раствора К СОд.
Чистое железо кристаллизуется в виде трех модификаций а, ( и 8, каждая из которых устойчива в своем интервале температур. Твердые растворы углерода в этих модификациях называются соответственно а-феррит, аустенит и оч )еррит.
Модификации а и S обладают одинаковой кубической пространственно центрированной решеткой и представляют собой, строго говоря, одну фазу модификация 7 является кубической гранецентрированной решеткой.
Последний тип решетки допускает значительно большую растворимость углерода. [c.415]
Твердое железо обладает способностью растворять в себе многие элементы. В частности, растворяется в железе и уг [ерод. Его растворимость сильно зависит от кристаллической модификации >р елеза и от температуры.
Твердый раствор углерода в а-железе называется ферритом, твердый раствор углерода в у-железе — аустепитом. [c.674]
Диаграмма состояния системы Ре—С сложнее, чем рассмотренные в главе XVI основные типы диаграмм состояния металлических систем. Однако все ее точки, кривые и области подобны тем, которые были описаны в 195. Особенности ее обусловлены уже упомянутыми обстоятельствами сущестрованием двух модификаций кристаллического железа, способностью обеих этих моди( )икацнй [c.675]
В каких же с.дучаях поверхностные пленки являются устойчивыми, удерживаются на поверхности, образуя плотный слой, и обладают в соответствии с этим защитными свойствами Несомненно, что здесь играют роль многие факторы, и в разных системах различные из них могут быть преобладающими. Работами П, Д.
Данкова было установлено, что по крайней мере для окисных пленок на металлах основным фактором служит кристаллохимичсское соответствие структур металлов и пленки.
При нагреванин же до высокой температуры, вследствие перехода окиси железа в другую модификацию (а-РезОз), защитные свойства пленки исчезают. По той же причине ржавчина, представляющая собой гидратированную окись н
Структуры сталей при различных температурах
Стали, как указывалось выше, являются сплавами железа с углеродом.
Структуры углеродистых сталей в зависимости от содержания в них углерода, а также структурные превращения, которые происходят в этих сталях при нагреве и медленном охлаждении, изучаются по диаграмме Fe—С.
На рисунке приведена часть
диаграммы Fe—С, характеризующая структуры сталей. Диаграмма дана в несколько упрощенном виде.
Прежде чем рассматривать структурные превращения в сталях, выясним, какие структуры в них встречаются при комнатных температурах и при нагреве.
Линии диаграммы определяют
температуры, при которых в сталях происходят какие-либо структурные, превращения.
Феррит
Феррит
— твердый раствор углерода в железе
а. При комнатной температуре в феррите может растворяться не более чем 0,006% углерода.
Если содержание углерода встали больше чем 0,006%, то, кроме феррита, в структуре стали имеются другие структурные составляющие.
Феррит обладает небольшой прочностью и твердостью, но высокой пластичностью. Он имеет хорошие магнитные свойства.
Цементит
Цементит
— химическое соединение железа с углеродом, отвечающее формуле Fe3C. Содержание углерода в цементите составляет 6,67% и не изменяется во всем интервале температур, вплоть до температуры плавления.
Цементит является самой твердой структурной составляющей стали. Он имеет высокую прочность, но чрезвычайно
хрупок.
Перлит
Перлит
— механическая смесь феррита и цементита (после травления эта структура имеет перламутровый отлив).
Перлит бывает пластинчатым (цементит в виде пластинок) и зернистым (цементит в виде зернышек). Твердость перлита выше, чем у феррита, но меньше, чем у цементита.
Аустенит
Аустенит
(название дано в честь английского металловеда Аустена) — твердый раствор углерода в железе γ (модификация железа с гранецентрированной кристаллической решеткой). Максимальная растворимость углерода в железе γ составляет 2% при температуре 1130°.
Аустенит имеет невысокую твердость, обладает достаточно высокой прочностью наряду с хорошей пластичностью, большой стойкостью против коррозии, высоким электросопротивлением. Он немагнитен.
Диаграмма железоуглеродистых сплавов
Вернемся к вышеприведенной диаграмме, так линия
АС показывает, при каких температурах при охлаждении начнется процесс кристаллизации в стали. Линия АЕ показывает, при каких температурах кристаллизация закончится, т.е. сплав
затвердеет.
Из диаграммы видно, что чистое железо кристаллизуется при постоянной температуре (1539°).
Сталь с содержанием С=0,8% кристаллизуется не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Точка 1 определяет температуру начала кристаллизации, точка2
— температуру конца кристаллизации стали с содержанием С = 0,8%.
Таким образом, при температурах ниже линии АЕ сталь будет находиться в твердом состоянии и структура стали будет аустенит. При этом весь углерод, который в стали имеется, будет растворен в аустените.
Структура аустенита сохранится в стали и при последующем охлаждении до температур, определяемых линиямиGS
иSE.
Аустенит — это… Что такое Аустенит?
Понятие о диаграмме состояния железо-цементит Fe-Fe3C
Эта диаграмма, изображенная на рис. 5.2 сплошными линиями, характеризует состояния железоуглеродистых сплавов — сталей и белых чугу- нов с концентрацией углерода от 0 до 6,67 %. Концентрация 6,67 % С соответствует содержанию углерода в карбиде железа Fe3C.
Рис. 5.2. Диаграмма метастабильного (7) и стабильного <2)состояний железо-углерод
Система железо—цементит не является полностью стабильной, так как карбид железа Fe3C при определенных условиях нагрева неустойчив и распадается, образуя свободный углерод — графит.
Следовательно, система железо—цементит, в которой возможен необратимый распад цементита, является ме- тастабильной. Превращения, совершающиеся в равновесной (стабильной) системе, всегда полностью обратимы.
Если при нагреве цементит диссоциирует на железо и графит, то при охлаждении превращение должно совершаться в обратном направлении, но в действительности это не происходит.
Основные точки диаграммы состояния железо—цементит обозначают латинскими буквами, что принято в международной практике. Координаты основных точек диаграммы состояния железо—цементит и их буквенные обозначения приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1. Координаты основных точек диаграммы состояния железо—цементит
Фазы в системе Fe—Fe3C. Согласно диаграмме состояния Fe—Fe3C, в железоуглеродистых сплавах образуются следующие фазы: жидкий раствор (расплав) углерода в железе (ЖС), феррит, аустенит, цементит.
Феррит — твердый раствор углерода в a-железе. Кристаллическая решетка феррита — объемно центрированный куб. Различают низко- и высокотемпературный ферриты в соответствии с существованием низкотемпературной Fea и высокотемпературной Fe5 модификаций железа с ОЦК-решеткой.
Феррит представляет собой твердый раствор внедрения. Атомы углерода располагаются в кристаллической решетке Fea между атомами железа в межатомных порах решетки. Из-за малых размеров этих пор в ОЦК-решетке значительная часть атомов углерода располагается на дефектах решетки (вакансиях, дислокациях).
Этим объясняется малая растворимость углерода в Fea. Максимальная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет 0,025 % при 727 °С, а в высокотемпературном феррите 0,1 % при 1499 °С.
Растворимость углерода в феррите изменяется, после охлаждения до комнатной температуры она становится равной 0,006 % С.
Феррит мягок и пластичен, имеет следующие механические свойства: 8В = 250 МПа; 60 2 = 120 МПа; 8 = 50 %; у = 80 %; KCU = 2,5 МДж/м2; НВ 80. Также как Fea, феррит магнитен до 768 °С.
Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных зерен. Обозначают феррит Ф или а.
Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в у-желе- зе. Кристаллическая решетка аустенита — гранецентрированный куб.
Аустенит, так же как Fey, немагнитен, обладает меньшим удельным объемом, чем феррит, пластичен (8 = 40—50 %), имеет твердость НВ 160—200. Обозначают аустенит А или у.
Цементит — химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe3C, содержит 6,67 % С. Цементит имеет сложную кристаллическую решетку.
Особенностями цементита являются его исключительно высокая твердость (HV 1000, цементит легко царапает стекло) и хрупкость.
Температура плавления цементита точно не установлена, так как при температурах ниже температуры плавления цементит распадается на железо и графит. Условно температуру плавления цементита принимают около 1500 °С. Обозначают цементит Ц или Fe3C.
Характеристика отдельных точек и линий диаграммы состояния Fe-Fe3C. На диаграмме состояния Fe—Fe3C точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления чистого железа, точка Н (1500 °С) — температуре плавления цементита. Точка N
(1392 °С) отвечает температуре полиморфного превращения Fe5 ар Феу, точка G (911 °С) — температуре полиморфного превращения Fey ар Fea.
Отдельные части диаграммы состояния Fe—Fe3C сходны с некоторыми простыми диаграммами, рассмотренными выше.
Верхняя левая часть диаграммы состояния Fe—Fe3C соответствует диаграмме перитектического типа. Здесь линии АВ — ликвидус и АН — солидус показывают температуры начала и конца кристаллизации жидких сплавов с образованием высокотемпературного феррита. При температуре, отвечающей линии HJB, протекает перитектическое превращение.
Правая верхняя часть диаграммы является разновидностью диаграммы состояния эвтектического типа.
Линии ВС (ликвидус) и JE (солидус) указывают температуры начала и конца кристаллизации жидких сплавов соответствующего состава с образованием кристаллов аустенита.
Линия CD отвечает температурам начала кристаллизации жидких сплавов с образованием кристаллов цементита. Линия ECF— эвтектическая горизонталь, при этой температуре протекает эвтектическое превращение в сплавах.
Нижняя часть диаграммы состояния Fe—Fe3C отражает эв- тектоидное превращение при температуре, соответствующей эвтектоидной горизонтали PSK. Линии NH и NJ отвечают температурам начала и конца полиморфного превращения высокотемпературного феррита в аустенит при охлаждении сплавов и аустенита в феррит при их нагревании.
Линии GS и GP соответствуют температурам начала и конца полиморфного превращения аустенита в феррит при охлаждении и феррита в аустенит при нагревании сплавов. Линия SE—линия предельной растворимости углерода в у-железе (определяет предельную концентрацию углерода в аустените).
Линия PQ — линия предельной растворимости углерода в а-железе.
При нагреве и охлаждении в реальных условиях критические точки не полностью совпадают с соответствующими равновесными линиями диаграммы. При нагреве они несколько выше этих линий, а при охлаждении — ниже.
Поэтому введены дополнительные обозначения критических точек, которыми пользуются при термической обработке сплавов.
Для обозначения критических точек при нагреве добавляют букву с, а при охлаждении — букву г, например: Асх, Ас3 — нагрев, Аг3, Аг4 — охлаждение.
Линия МО показывает температуру превращения феррита из магнитного состояния в немагнитное (768 °С). Это превращение не связано с фазовой перекристаллизацией и не относится к разряду фазовых превращений. Температура магнитного превращения обозначается А2.
Рассмотрим превращения, которые происходят в железоуглеродистых сплавах в соответствии с диаграммой состояния Fe—Fe3C.