Tillståndsdiagram över järn-kol-legeringar

Fasjämviktsdiagrammet (tillståndsdiagram) för järn-kol (ibland kallas detta diagram för " järn - cementitdiagram ") är en grafisk visning av fastillståndet för järn - kol -legeringar beroende på deras kemiska sammansättning och temperatur.

Statusdiagram

Järn bildar med kol den kemiska föreningen Fe 3 C cementit . Eftersom metallegeringar baserade på järn med en kolhalt på upp till 5 % används i praktiken är delen av fasdiagrammet från rent järn till cementit av praktiskt intresse [1] . Eftersom cementit är en metastabil fas kallas motsvarande diagram även för metastabil (heldragna linjer i figuren).

För grått gjutjärn och grafiterade stål beaktas den stabila delen av järn-grafit (Fe-Gr) diagrammet, eftersom det är grafit som är den stabila fasen i detta fall. Cementit frigörs från smältan mycket snabbare än grafit och i många stål och vita gjutjärn kan finnas länge, trots metastabiliteten. I grått gjutjärn är grafit ett måste.

I figuren visar tunna prickade linjer linjerna för stabil jämvikt (det vill säga med deltagande av grafit), där de skiljer sig från linjerna för metastabil jämvikt (med deltagande av cementit), och motsvarande punkter är markerade med ett streck . Beteckningarna på faser och punkter i detta diagram ges enligt en inofficiell internationell överenskommelse.

Faserna i järn-koldiagrammet

Följande faser finns i järn-kolsystemet : flytande fas, ferrit , austenit , cementit, grafit .

flytande fas . I flytande tillstånd löser järn lätt kol i vilken proportion som helst. med bildandet av en homogen flytande fas.

Ferrit  är en fast lösning av kolinkorporering i α-järn med ett kroppscentrerat kubiskt gitter .

Ferrit har en variabel, temperaturberoende begränsande löslighet av kol: minimum är 0,006 % vid rumstemperatur (punkt Q), maximum är 0,02 % vid temperatur på 700 ° C (punkt P). Kolatomer finns i mitten av ansiktet eller (vilket är kristallgeometriskt ekvivalent) i mitten av kubens kanter, samt i gitterdefekter [2] .

Över 1392°C finns högtemperaturferrit med en begränsande kollöslighet på ca 0,1% vid ca 1500°C (H-punkt).

Egenskaperna hos ferrit ligger nära egenskaperna hos rent järn. Den är mjuk ( Brinell hårdhet  - 130 HB) och formbar, ferromagnetisk (i frånvaro av kol) upp till Curie-punkten  - 770 ° C.

Austenit (γ) är en fast lösning av kolinterkalering i γ-järn med ett ansiktscentrerat kubiskt gitter.

Kolatomer upptar en plats i mitten av en ansiktscentrerad kubisk cell . Den begränsande lösligheten av kol i austenit är 2,14 % vid en temperatur av 1147 ° C (punkt E). Austenit har en hårdhet på 200-250 HB, är formbar och paramagnetisk . När andra grundämnen löses i austenit eller i ferrit ändras egenskaperna och temperaturgränserna för deras existens [3] .

Cementit (Fe 3 C) är en kemisk förening av järn med kol ( järnkarbid ), med ett komplext rombiskt gitter, innehåller 6,67 % kol. Den är hård (över 1000 HB) och väldigt skör. Cementit är en metastabil fas och vid långvarig uppvärmning sönderfaller den spontant med frisättning av grafit .

I järn-kol-legeringar kan cementit som en fas fällas ut under olika förhållanden:

• primär cementit (separerad från vätskan),
• sekundär cementit (separerad från austenit),
• tertiär cementit (från ferrit),
• eutektisk cementit och
• eutektoid cementit.

Primär cementit frigörs från vätskefasen i form av stora lamellära kristaller. Sekundär cementit separeras från austenit och ligger i form av ett rutnät runt austenitkorn (efter eutektoid transformation kommer de att bli perlitkorn ). Tertiär cementit skiljer sig från ferrit och finns i form av små inneslutningar vid ferritkornens gränser [4] .

Eutektisk cementit observeras endast i vita gjutjärn. Eutektoid cementit har en lamellär form och är en komponent i perlit . Cementit kan fällas ut i form av små sfärer vid speciell sfäroidiserande glödgning eller härdning med hög anlöpning. De mekaniska egenskaperna hos legeringar påverkas av formen, storleken, antalet och placeringen av cementitinneslutningar, vilket gör det möjligt att i praktiken för varje specifik applikation av legeringen uppnå den optimala kombinationen av hårdhet, styrka, motståndskraft mot sprödbrott, etc. [5]

Grafit  är en fas som endast består av kol med ett skiktat hexagonalt gitter. Densiteten hos grafit (2,3 g/cm 3 ) är mycket mindre än densiteten för alla andra faser (ca 7,5–7,8 g/cm 3 ) och detta försvårar och saktar ner dess bildning, vilket leder till frigöring av cementit under snabbare kylning. Bildandet av grafit minskar krympningen under kristallisation, grafit fungerar som ett smörjmedel under friktion, minskar slitage och främjar avledning av vibrationsenergi.

Grafit har formen av stora krabba-formade (böjda lamellära) inneslutningar (vanligt gråjärn ) eller sfärer ( segjärn ).

Grafit är nödvändigtvis närvarande i grått gjutjärn och deras varianter - höghållfasta gjutjärn. Grafit finns också i vissa stålsorter - i de så kallade grafiterade stålen.

Fasövergångar

ACD-linjen är en likviduslinje som visar temperaturerna för början av stelningen (slutet av smältningen) av stål och vitt gjutjärn. Vid temperaturer över ACD-linjen är det en flytande legering. AECF-linjen är en soliduslinje som visar temperaturer vid slutet av stelningen (början av smältningen).

Austenit kristalliseras från den flytande legeringen längs likviduslinjen AC (vid temperaturer som motsvarar AC-linjen) , och cementit , kallad primär cementit, kristalliserar längs likviduslinjen CD . Vid punkt C vid 1147 ° C och en halt av 4,3 % kol kristalliserar austenit och primär cementit samtidigt från den flytande legeringen och bildar ett eutektikum som kallas ledeburit . Vid temperaturer motsvarande soliduslinjen AE stelnar slutligen legeringar med en kolhalt på upp till 2,14 % med bildandet av en austenitstruktur. På soliduslinjen EC (1147°C) stelnar slutligen legeringar med en kolhalt på 2,14 till 4,3 % med bildning av ledeburiteeutektikum . Eftersom austenit fälldes ut från den flytande legeringen vid högre temperaturer kommer därför sådana legeringar att ha en austenit + ledeburitstruktur efter stelning.

På soliduslinjen CF (1147 °C) stelnar även legeringar med en kolhalt från 4,3 till 6,67 % slutligen med bildning av ledeburit eutektikum. Eftersom vid högre temperaturer cementit (primär) frigjordes från den flytande legeringen, kommer därför sådana legeringar efter stelning att ha en struktur - primär cementit + ledeburit [6] .

I ACEA-regionen, mellan AC liquidus-linjen och AEC solidus-linjen, kommer det att finnas en flytande legering + austenitkristaller. I CDF-området, mellan liquiduslinjen CD och solidus CF, kommer det att finnas en flytande legering + cementit (primära) kristaller. De omvandlingar som sker under stelningen av legeringar kallas primär kristallisation. Som ett resultat av primär kristallisation, i alla legeringar med en kolhalt på upp till 2,14%, bildas en enfasstruktur - austenit. Legeringar av järn med kol, i vilka, som ett resultat av primär kristallisation under jämviktsförhållanden, en austenitisk struktur erhålls, kallas stål.

Legeringar med en kolhalt på mer än 2,14%, i vilka ledeburit eutektikum bildas under kristallisation, kallas gjutjärn. I det aktuella systemet är nästan allt kol i ett bundet tillstånd, i form av cementit. Sprickan hos sådana gjutjärn är lätt, glänsande (vit fraktur), därför kallas sådana gjutjärn vita [4] .

I järn-kol-legeringar sker även omvandlingar i fast tillstånd, som kallas sekundär kristallisation och kännetecknas av linjerna GSE, PSK, PQ. Linje GS visar början av omvandlingen av austenit till ferrit (vid kylning). Därför kommer det att finnas en austenit + ferritstruktur i GSP-regionen.

SE-linjen visar att kolets löslighet i austenit minskar med sjunkande temperatur. Så vid 1147 °C kan 2,14% kol lösas i austenit och vid 727 °C - 0,8%. Med en temperaturminskning i stål med en kolhalt på 0,8 till 2,14 % frigörs överskott av kol från austenit i form av cementit, kallad sekundär. Därför, under SE-linjen (upp till en temperatur på 727 °C), har stålet följande struktur: austenit + cementit (sekundär). I gjutjärn med en kolhalt från 2,14 till 4,3% vid 1147 ° C finns det förutom ledeburit austenit, från vilken sekundär cementit också kommer att frigöras när temperaturen sänks. Därför, under EG-linjen (upp till en temperatur på 727 ° C), har vitt gjutjärn strukturen: ledeburit + austenit + sekundär cementit.

PSK-linjen (727°C) är linjen för den eutektoida transformationen. På denna linje, i alla järn-kol-legeringar, bryts austenit ner och bildar en struktur som är en mekanisk blandning av ferrit och cementit och kallas perlit . Under 727 °C har järn-kol-legeringar följande strukturer.

• Stål som innehåller mindre än 0,8 % kol har en ferrit + perlitstruktur och kallas hypoeutektoida stål.
• Stål med en kolhalt på 0,8 % har en perlitstruktur och kallas eutektoidstål.
• Stål med en kolhalt på 0,8 till 2,14 % har en cementit + perlitstruktur och kallas hypereutektoida stål.
• Vita gjutjärn med en kolhalt på 2,14 till 4,3 % har strukturen perlit + sekundär cementit + ledeburit och kallas hypoeutektiska gjutjärn.
• Vitt gjutjärn med en kolhalt på 4,3 % har en ledeburitstruktur och kallas eutektiskt gjutjärn.
• Vita gjutjärn med en kolhalt på 4,3 till 6,67 % har strukturen av primär cementit + ledeburit och kallas hypereutektiska gjutjärn [5] .

PQ-linjen visar att när temperaturen minskar, minskar lösligheten av kol i ferrit från 0,02 % vid 727°C till 0,006 % vid rumstemperatur. När den kyls under en temperatur på 727 ° C frigörs överskott av kol från ferrit i form av cementit, kallad tertiär. I de flesta legeringar av järn med kol kan tertiär cementit i strukturen ignoreras på grund av dess mycket små mängder. I lågkolstål under förhållanden med långsam kylning faller tertiär cementit ut längs ferritkornens gränser (fig. 76). Dessa utfällningar minskar stålets plastiska egenskaper, särskilt förmågan att kallsmida [5] .

Anteckningar

1. ↑ Kuzmin, 1971 , sid. 91.
2. ↑ Zimmerman, Günther, 1982 , sid. 31.
3. ↑ Zimmerman, Günther, 1982 , sid. 33.
4. ↑ 1 2 Kuzmin, 1971 , sid. 93.
5. ↑ 1 2 3 Kuzmin, 1971 , sid. 95.
6. ↑ Kuzmin, 1971 , sid. 92.

Litteratur

• Kuzmin B. A., Samokhotsky A. I., Kuznetsova T. N. Metallurgi, metallurgi och byggmaterial. - Moskva: Högre skola, 1971. - 352 s.
• Zimmermann R. , Günter K. Metallurgy and Materials Science: Reference Edition = Metallurgie und Werkstofftechnil: ein Wissensspeicher / Per. med honom. B.I. Levin och G.M. Ashmarin , red. P.I. Polukhin , M.L. Bernshtein . - M .: Metallurgy , 1982. - 480 sid. - 16 000 exemplar.

Ordböcker och uppslagsverk	runt världen