Презентация на тему "Диаграмма состояния железо-цементит" к уроку по материаловедению

Тема урока
Диаграмма состояния железо-цементит

Диаграмма состояния Fe–Fe3C

3
Характеристика железа
Fe –ферромагнитный переходный полиморфный металл, серебристо-светлого цвета с порядковым номером 26.
Температура плавления чистого Fe 1539°С. Плотность при комнатной температуре 7,68 г/см3.
Техническое Fe содержит не более 0,02 % С.

4
Характеристика углерода

Углерод относится к неметаллам.
Обладает полиморфным превращением,в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500° С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой(температура плавления – 5000 °С).

Характеристика фазовых составляющих
Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; φ=80%).

Характеристика фазовых составляющих
Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пластичен (δ=40-50%).

Характеристика фазовых составляющих
Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ~800), хрупок и практически не обладает пластичностью.

Характеристика фазовых составляющих
Графит - это свободный углерод, мягок (НВ 3) и обладает низкой прочностью. С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.

Характеристика фазовых составляющих
Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид, т. е. подобный эвтектике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σв=800 МПа; относительное удлинение δ=15%; твердость НВ 160

Характеристика фазовых составляющих
Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость

Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% -чугуном.

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14%, т. е. в сталях, образуется однофазная структура - аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т. е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Железоуглеродистые сплавы
В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы делят на две группы:
Стали: а) доэвтектоидные ( 0,8 % > С > 0,02 %);
б) эвтектоидные (С ≈ 0,8 %);
в) заэвтектоидные ( 2,14 % > С > 0,8 %);

2. Чугуны: а) доэвтектические
(4,3 % > С > 2,14 %);
б) эвтектические (С ≈ 2,14 %);
в) заэвтектические (6,67 % > С > 4,3 %).
13

Характеристика линий диаграммы Fe–Fe3C

ACD – линия ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.
AECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.
АС – из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита.
CD – линия выделения первичного цементита.

Характеристика линий диаграммы Fe–Fe3C
AE – заканчивается кристаллизация аустенита.
ECF – линия эвтектического превращения.
PSK – линия эвтектоидного превращения.
.

16



GS – определяет температуру начала выделения феррита из аустенита (910-727 ºC).
GP – определяет температуру окончания выделения феррита из аустенита.
ES – линия выделения вторичного цементита.
PQ – линия выделения третичного цементита.


Характеристика линий диаграммы Fe–Fe3C

17
Характеристика точек диаграммы Fe–Fe3C
А – точка плавления – кристаллизации чистого железа.
Температура 1539 °С,


С – эвтектическая точка, температура 1147 °С, концентрация
углерода – 4,3 % (содержание углерода в жидком растворе,
находящемся в равновесии с аустенитом и цементитом
при эвтектическом превращении).

D – точка, соответствующая температуре плавления цементита, ее положение на диаграмме не определено, так как цементит –
термодинамически неустойчивая фаза и при плавлении разлагается на железо и графит.

18

G – точка полиморфного превращения в чистом железе α↔γ (911 °С),
соответствует для чистого железа критической точке А3.

Е – точка, отвечающая предельному содержанию углерода в аустените,
Является границей между сталями и чугунами.
Р – точка предельного содержания углерода в феррите, находящемся
в равновесии с цементитом и аустенитом при эвтектической
температуре (727 °С), содержание углерода – 0,02 %.
Эта точка определяет техническое железо в стали.
S – эвтектоидная точка, температура 727 °С, концентрация
углерода – 0,8 % (содержание углерода в твердом растворе,
находящемся в равновесии с ферритом и цементитом
при эвтектоидном превращении).
Характеристика точек диаграммы Fe–Fe3C

Структура технического железа

Светлые полиэдры твердого раствора феррита (Ф) и выделения избыточного цементита (Ц) по границам зерен.
Структурные составляющие:
феррит и цементит третичный (Ф+ЦIII).
Фазы:
феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C)
Твердость по Бринеллю 80-100 НВ
х 300
х 100

Доэвтектоидная сталь
Увеличение содержания углерода сверх 0,025% вызывает образование перлита – двухфазной структуры, формирующейся при эвтектоидном превращении. Перлит состоит из двух фаз: феррита и цементита и имеет суммарное содержание углерода 0,8%.. Количество перлита в доэвтектоидных сталях возрастает с увеличением содержания углерода.

Структура низкоуглеродистой доэвтектоидной стали (0,2% углерода)
Светлые (белые) участки твердого раствора феррита (Ф) и темные – перлита (П) пластинчатого строения.
Структурные составляющие:
феррит и перлит (Ф+П).
Фазы:
феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C)
Твердость по Бринеллю 110-120 НВ
х 300

Структура среднеуглеродистой доэвтектоидной стали марки 45
(0,45% углерода)
С ростом содержания углерода увеличивается количество темной перлитной структурной составляющей.
Структурные составляющие:
феррит и перлит (Ф+П).
Фазы:
феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C)
Твердость по Бринеллю 140-160 НВ
х 300

Структура доэвтектоидной стали с
0,6% углерода
Основная структурная составляющая – перлит с небольшими участками феррита. С ростом доли перлитной составляющей возрастает и общая твердость стали.
Структурные составляющие:
феррит и перлит (Ф+П).
Фазы:
феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C)
Твердость по Бринеллю 160-170 НВ
х300

Эвтектоидная сталь
В стали, содержащей 0,8% углерода, получается чисто перлитная структура, поскольку этот состав является, согласно диаграмме равновесия, эвтектоидным.

Структура эвтектоидной стали марки У8
Структура пластинчатого перлита (П). Тонкие пластины цементита (Ц) на светлом поле твердого раствора феррита (Ф).
Структурные составляющие:
перлит (П)
Фазы:
феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C).
Твердость по Бринеллю 180-200 НВ
Х 300

Структура пластинчатого перлита при различном увеличении
X 1000
X 5000
Хорошо видны чередующиеся пластинки феррита и цементита (а) и (б), а также место стыка бывших аустенитных зерен (б).
а)
б)

Заэвтектоидная сталь
Заэвтектоидная сталь характеризуется избыточным содержанием цементита, который может выделяться по границам зерен перлита. Цементитная сетка является значительным дефектом заэвтектоидной стали, приводящим к снижению ее прочности и вязкости.

Структура заэвтектоидной стали марки У12 (1,2% углерода)
Структура состоит из пластинчатого перлита (П), окруженного светлой сеткой избыточного цементита (Ц), выделившегося по границам бывшего аустенитного зерна.
Структурные составляющие:
перлит и цементит вторичный (П+ЦII).
Фазы: феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C).

Твердость по Бринеллю 200-220 НВ
х 300
х 300

Структура заэвтектоидной стали
с 1,3% углерода
Структура отличается от предыдущей большей толщиной цементитной сетки.
Структурные и фазовые составляющие те же, что и выше.

Твердость по Бринеллю 200-220 НВ
х 300

Белый чугун

Белые чугуны характеризуются тем, что весь углерод в них находится в связанном состоянии в форме карбида железа - цементита (Fe3C). По химическому составу и структуре чугуны делят на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Доэвтектический белый чугун

В структуре доэвтектического белого чугуна наряду с аустенитом, образованным при первичной кристаллизации, и вторичным цементитом присутствует хрупкая эвтектика – ледебурит, количество которой возрастает с увеличением содержания углерода.

Структура низкоуглеродистого доэвтектического белого чугуна
с 3,3% углерода
Темные участки распавшегося (на перлит) избыточного твердого раствора аустенита (А) и пестрая эвтектика –распавшийся ледебурит - между ними. Внутри распавшегося аустенита видны светлые выделения вторичного цементита (ЦII).
Структурные составляющие:
аустенит распавшийся (перлит), ледебурит распавшийся и цементит вторичный (Ар+Лр+ЦII).
Фазы: Феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C). При температуре выше А1 фазы: аустенит (-фаза) и цементит.

х 300

Структура доэвтектического белого чугуна с 4,0% углерода
Большое увеличение позволяет увидеть внутри распавшегося аустенита светлые выделения вторичного цементита (ЦII) в виде сетки по границам зерен.
Структурные составляющие:
аустенит распавшийся (перлит), ледебурит распавшийся и цементит вторичный (Ар+Лр+ЦII).
Фазы: феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C). При температуре выше А1 фазы – аустенит (-фаза) и цементит.

х 600

Эвтектический чугун
(4,3% углерода)
Структура состоит из эвтектики (распавшегося ледебурита – Лр), представляющей собой равномерно распределенные темные участки распавшегося твердого раствора аустенита (А) и светлые участки цементита (Ц).
Структурные составляющие:
эвтектика (Лр).
Фазы:
феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C). При температуре выше А1- аустенит и цементит
Твердость по Бринеллю 500-520 НВ
х 300

Структура эвтектического чугуна
(примеры строения ледебурита)
х 300
х 300

Заэвтектический чугун
Структура заэвтектического чугуна состоит из эвтектики (ледебурит) и первичного цементита,выделяющегося при кристаллизации из жидкости в виде крупных пластин.

Заэвтектический чугун
(5% углерода)
Белые пластинки избыточного первичного цементита (ЦI) и пестрая эвтектика (ледебурит распавшийся – Лр ) между ними.
Структурные составляющие:
эвтектика (ледебурит распавшийся) и цементит первичный (Лр+ЦI).
Фазы: феррит (-фаза) и цементит (карбид железа Fe3C).

Твердость по Бринеллю 630-650 НВ
х 100
х 700

Изменение микроструктуры
и свойств сталей
с увеличением количества углерода
38

Практическое применение диаграммы

Обрабатываемость резанием.
С увеличением прочности и твердости, то есть с повышением содержания углерода в стали, обрабатываемость ухудшается. Однако и стали с очень малым содержанием углерода, со структурой почти чистого феррита обрабатываются плохо, давая низкую чистоту поверхности.

Штампуемость.
Штампуемость ухудшается по мере повышения прочностных свойств стали, особенно предела текучести.

Свариваемость.
Чем шире температурный интервал кристаллизации, тем легче образуются горячие трещины. Интервал кристаллизации возрастает с увеличением содержания углерода. Поэтому с повышением содержания углерода свариваемость ухудшается.

Литейные свойства стали.
Литейные свойства стали ухудшается при увеличении содержания углерода. Поэтому для литья используют обычно стали с содержанием углеродов до 0,4% С.

Закрепление изученного
материала
Вопрос 1
Укажите линию ликвидус
1) PSK
2) ACD
3) ECF
4) SE

Вопрос 2
Укажите линию солидус
1) ACD
2) AECF
3) PSK
4) ECF

Закрепление изученного материала

Вопрос 3
Укажите содержание углерода в цементите
1) 6,67 %
2) 4,3 %
3) 2,14%
4) 0,8%

Закрепление изученного
материала

Вопрос 4
Укажите содержание углерода в эвтектоиде
1) 6,67 %
2) 4,3 %
3) 2,14%
4) 0,8%

Закрепление изученного
материала

Вопрос 5
Укажите содержание углерода в эвтектике
1) 6,67 %
2) 4,3 %
3) 2,14%
4) 0,8%
 

Закрепление изученного
материала

Вопрос 6
Как называется структура, представляющая собой твердый раствор углерода в α- железе?
1) перлит
2) цементит
3) феррит
4) аустенит

Закрепление изученного
материала

Вопрос 7
Как называется структура, представляющая собой твердый раствор углерода в γ- железе?
1) феррит
2) цементит
3) аустенит
4) ледебурит
 

Закрепление изученного
материала

Вопрос 8
Как называется структура представляющая собой карбид железа Fe3C?
1) феррит
2) аустенит
3) ледебурит
4) цементит

Закрепление изученного
материала

Вопрос 9
Как называется структура, представляющая собой механическую смесь феррита и цементита?
1) перлит
2) δ-феррит
3) аустенит
4) ледебурит

Закрепление изученного
материала

Вопрос 10
Как называется структура, представляющая собой механическую смесь аустенита и цементита?
1) перлит
2) феррит
3) ледебурит
4) δ -феррит

Закрепление изученного
материала

Вопрос 11
Температура плавления железа?
911°С
1147°С
1539°С
1600°С
Закрепление изученного
материала

Вопрос 12
Температура плавления цементита?
911°С
1147°С
1539°С
1600°С
Закрепление изученного
материала

Вопрос 13
Температура плавления цементита?
911°С
1147°С
1539°С
1600°С
Закрепление изученного
материала

Вопрос 14
Сколько кристаллических модификаций может образовывать чистое железо:
А) пять
Б) четыре
В) три 
Г) две

Закрепление изученного
материала

Вопрос 15
Сплав, образующийся при температуре 727°С и содержащий 0,8% углерода, называется:
А) перлит
Б) феррит 
В) аустенит 
Г) эвтектика

Закрепление изученного
материала

Вопрос 16
Доэвтектический белый чугун – это сплав, с содержанием углерода:
А) до 0,8% 
Б) от 0,8% до 2,14%
 В) от 2,14% до 4,3% 
Г) выше 4,3%

Закрепление изученного
материала

Вопрос 17
Что означает линия «солидус» на диаграмме фазового равновесия двойных сплавов?
Линию конца кристаллизации
Линию начала кристаллизации
Линия аллотропического превращения
Линию эвтектического превращения


Закрепление изученного
материала

Вопрос 18
Какие железоуглеродистые сплавы называются сталями?
Содержание углерода более 0,8 %
Содержание углерода более 4,8%
Содержание углерода не более 2,14%
Содержание углерода более 0,002%

Закрепление изученного
материала