30 234 subscribers

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

16k full reads

Мы уже начинали рассматривать диаграммы состояния в этой публикации и там разобрали основные понятия, которые важно осмыслить, прежде, чем вникать в тему более глубоко. Но тут меня попросили разобрать диаграмму состояния железо-углерод (её ещё частенько называют железо-цементит). Ну что же, запасаемся попкорном и пытаемся вместе разобраться в этом крокодиле...

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

Диаграмма состояния железо-углерод, в том или ином количестве, встречается всем инженерам. Изучают её на курсе материаловедения, а прослушивают этот курс все технари. В большинстве случаев, изучение этой темы превращается в кошмар. Особенно, когда тебя просят нарисовать этот кошмар по памяти на листочке. Но главный вопрос - почему именно эта диаграмма? Ответ простой. На диаграмме железо-углерод есть большая часть сложных моментов, которые вообще встречаются на диаграммах состояния. От того, поняв её мы разберемся и со всеми основами чтения диаграмм. Кроме всего этого, сплавы железа всё ещё продолжают заниматься лидирующее положение среди конструкционных материалов. Поэтому, вперёд друзья.

Как мы помним, диаграмма состояния - это график фазовых состояний в зависимости от концентрации каждого химического элемента и температуры.

Значит, диаграмма железо-углерод - это отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химсостава и температуры.

Это нужно для того, чтобы мы, зная химический состав стали и температуру системы, могли понять, какой фазовый состав будем иметь. Знания эти необходимы для того, чтобы выбрать правильный режим термической обработки или подобрать вариант механической обработки (ведь зная фазовый состав мы уже примерно представляем свойства).

Вот, собственно, и всё, что нужно знать про диаграмму :)...Теперь остается научиться её читать. И с этим есть масса сложностей.

Вот диаграмма железо-углерод на рисунке ниже. И что это? А мы не понимаем, что это :)! Давайте разбираться, ибо сейчас оно выглядит скорее как клетчатый листочек с нарисованным динозавром.

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

По оси ординат у нас обозначены температуры системы. По оси абцисс - химические составы.

Максимальная температура системы ограничивается температурами плавления компонентов. Выше идёт только жидкость. Но про фазы чуть позднее.

Слева у нас феррит. Справа - углерод. Количество углерода растёт слева направо.

Обратите внимание и на нижнюю шкалу, где отложен Fe3C.

Это цементит. Его количество также увеличивается слева направо. Цементит - это карбид железа или химическое соединение железа с углеродом. Но есть подлянка, куда же без неё :)...Максимальное количество углерода в этой системе у нас 6,67%. А вот цементита будет 100%. Процентное содержание цементита не соответствует проценту углерода.

Это появилось из-за того, что в системе железо-углерод в целом возможно максимальное содержание углерода 6,67% на физическом уровне.

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

И вот тут внимание! Чистое железо (альфа-железо) у нас на диаграмме есть только в крайней левой точке. Этот вопрос любят задавать на защитах. Всё что дальше вправо - это феррит. А феррит, как мы помним, это твёрдый раствор углерода в альфа железе. Или, сплав железа с углеродом.

На диаграмме мы видим и сталь, и чугун. Их отличие в том, что сталь - это содержание углерода в сплаве с железом от 0,02 до 2,14%. Чугун - тот же сплав железа с углеродом, но с содержанием от 2,14% углерода.

Фазы на диаграмме

Само собой, из диаграммы состояния можно узнать фазовый состав. Или на кой чёрт она бы ещё сдалась :) Тут мы видим следующие фазы.

  • Жидкая фаза - это коктейль, который получается, если всё расплавить. Обращаем внимание, что при разных химических составах мы имеем разные температуры плавления.
  • Феррит - уже обсудили, что это твердый раствор внедрения углерода в альфа железо.
  • Аустенит - это твёрдый раствор внедрения углерода в гамма железо.
  • Цементит - тоже уже обсудили. Химическое соединение железа с углеродом. Максимальная концентрация углерода в цементите 6,67% по массе и это предельная для железоуглеродистых сплавов концентрация.
  • Графит - это фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Он выделяется в системе железо-углерод при определенных условиях.

Сразу отмечу, что на этом фазы заканчиваются. Преподы любят заваливать на подобных вопросах. Фаз на диаграмме у нас больше нет, зато есть кое-что ещё. Об этом далее.

Наверняка возникает вопрос что это за альфа-железо и за гамма-железо. Это так называемый полиморфизм. Химический состав один, а вид кристаллической решетки разный.

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

На самой же диаграмме есть ещё всякие буковки. И если буквы А (аустенит), Ж (жидкость), Ц (цементит), то всё ясно. Но ещё есть буквы Л и П. Что это такое?

Структуры на диаграмме

Л - это ледебурит. Так называется особенная структура, характерная преимущественно для чугунов. Представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Её же можно назвать механической смесью.

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

П - это перлит. Ещё одна структура, которая представлена эвтектоидной смесью из тонких пластинок феррита и цементита.

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

Новые слова для нас эвтектическая и эветктоидная. Эвтектическая в данном случае означает образование гетерогенной структуры сплава. Эвтектоидная - по сути тоже самое, только образуется изначально не из жидких фаз, а из твердых.

Эветктика же, это точка, в которой находятся в термодинамическом равновесии n - твёрдых фаз и жидкая фаза. Жидкая эвтектика кристаллизуется при температуре более низкой, чем температура кристаллизации каждого из веществ, входящих в состав смеси. Температура плавления твёрдой эвтектики — самая низкая для данной смеси компонентов.

Что происходит на диаграмме железо-углерод

Теперь самое веселое. Вроде бы всё, что вокруг на диаграмме есть, мы проанализировали. Остается понять что во что и когда превращается :)

Ну, мы уже поняли, что отправная точка - это температура. Греем систему из железа и углерода и видим изменения.

На диаграмме мы видим многочисленные линии ликвидуса и солидуса. Это линии, по которым идёт плавление и кристаллизация соответственно.

Удобно пользоваться следующей картинкой. Здесь расставлены все фазы и структуры.

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

Если путешествовать по линиям, то видим протекающие процессы.

Всё, что выше линий ABCD - жидкая фаза. Значит это линия ликвидус. Выше неё только жидкая фаза. Дальше работаем по правилу фаз Гиббса. Линию солидус найти сложнее. Ниже неё только твердая фаза. Тут солидусов несколько.

Не знаю, стоит ли досконально разбирать каждую линию. Если у вас есть вопросы, задавайте их в комментариях и я дополню материалы.

Сейчас же попробую обобщить всё одной фразой. Читаем внимательно. Диаграмма состояния железо-углерод, с размеченными областями, как показано на рисунке выше, указывает нам фазовые и структурные состояния, которые мы имеем в системе при данных параметрах (температура и химсостав). Линии указывают начало или конец процесса кристаллизации или плавления. Всё! Другого секрета тут нет.

Как пользоваться диаграммой железо-углерод

Часто преподы гасят студентов вопросами про использование диаграммы состояния. Ученик не понимает, как диаграммой пользоваться и зачем её вообще нужно изучать. Рассмотрим типичную задачу.

Нужно нам изучить состояния сплава, содержащего 0,4% углерода в своем составе. Имеем дело с обычной сталью.

Поднимаем перпендикуляр из точки, соответствующей количеству углерода в 0,4%.

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

Видим, что система, в диапазоне от 0 до 700 градусов, представляет собой твердую смесь перлита и цементита. В точке 4 происходит переход и в диапазоне от 700 до 800 градусов и мы попадаем в зону аустенита и феррита.

В диапазоне от 800 до 1450 градусов сплав имеет состав аустенита, а переход состоялся в точке 3.

В диапазоне от 1450 до 1520 градусов рассматриваемый сплав начинает постепенно плавиться и представлен аустенитом и жидким раствором. Переход происходил в точке 2.

Ну и всё что выше - это уже жидкость, где произошла гомогенизация. Вот такие данные можно выцепить.

Часто возникают вопросы, что именно происходит в точках перехода (которые у нас отмечены 1,2,3 и 4). Там мы имеем адский коктейль. Нестабильную смесь. Например, в точке 4 будет месиво из феррита, перлита и аустенита. Пропорции тут можно определить только лабораторным испытанием.

Ещё может появиться вопрос, а что у нас, например, на отрезке 2 - 3. Тут ответ очевиден - там 100% аустенита. Т.е. 0,4% углерода внедрились в структуру гамма железа и застыли.

Сложнее ситуация на отрезках, типа 0 - 4. Там у нас феррит + перлит. Но чего сколько? Ответ кроется в понимании характерных точек. Перлит у нас в точке S. Значит, просто смотрим насколько далеко точка 4 от точки S.

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

Характерные точки на диаграмме железо-углерод

В системе железо-углерод происходит невероятное количество превращений. Несколько мы уже обсудили. Но систематизируем все знания.

Диаграмма железо-углерод [гид для чайников]

В точка N и G - мы наблюдаем полиморфное превращение. Происходит смена типа кристаллической решетки. Сначала с альфа-железа на гамма-железо, потом наоборот.

Точка C - это эвтектическое превращение со структурой ледебурит. Вопрос эвтектики мы описали чуть выше.

Точка S - это эвтектоидное превращение, имеем в структуре чистый перлит и запоминаем циферку 0,8% углерода.

Точка H - это перитектическое превращение. Взаимодействие кристаллов твердого раствора с жидкостью, происходящий при постоянной температуре и постоянной концентрации фаз, приводящее к образованию кристаллов другого твердого раствора.

----------------

Итак, я постарался изложить основные моменты, которые могут помочь вам в освоении сложного материала. Считать статью исчерпывающей не стоит, поскольку очень многое осталось в тени. Я исходил из того, что чаще всего спрашивают при обучении и из того, где чаще всего есть пробелы в понимании. Если вопросы остались - задавайте ;)!