Алотропичечские изменения железа

Содержание:

1.Введение…………………………………………………………………………....3

2.Практическое значение аллотропических превращений железа..........................4

3.Железоуглеродистые сплавы........................................................................................4

4.Заключение................................................................................................................8

5.Список используемой литературы..........................................................................9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Мы привыкли смотреть на твердое тело как на что - то неизменяемое. В действительности, это не так. Некоторые металлы, будучи уже в твердом состоянии, могут претерпевать при определенных температурах изменения в своем строении. Изменения, которые происходят в строении металла, находящегося в твердом состоянии, называются аллотропическими превращениями. Сущность этих превращений заключается в том, что у некоторых металлов (железо, олово, титан и др.) при определенной температуре наблюдается перестройка атомов из одного типа кристаллической решетки в другой. Способность металла при одном и том же химическом составе иметь различное строение, а следовательно и свойства, носит название полиморфизма (многообразие).

         Способность одного и того же металла образовывать несколько разных кристаллических структур называется полиморфизмом. Различные структурные модификации одного и того же металла называют аллотропическими модификациями, а такие превращения под воздействиями температуры или давления называют аллотропическими превращениями. Данное свойство имеет важное значение для техники, так как оказывает влияние на поведение металлов и сплавов при их нагреве и охлаждении во время термической обработки и при эксплуатации деталей в машинах.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки. Железо имеет две полиморфные модификации αFe (ферит) и γFe (аустенит). Модификация α-железа существует при температурах ниже 910°С и выше 1392°С. В интервале температур 1392–1539°С α-железо иногда обозначают как δ-железо.

При полиморфном превращении  кристаллы (зерна) новой полиморфной  формы растут в результате неупорядоченных, взаимно связанных переходов  атомов через границу фаз. Отрываясь  от решетки исходной фазы (например, Fe), атомы по одиночке или группами присоединяются к решетке новой фазы ( Fe), и, как следствие этого, граница зерна α-модификации передвигается в сторону зерна -модификации, «поглощая» исходную фазу. Кристаллическая решетка из объемноцентрированной кубической (ОЦК) перестраивается в гранецентрированную кубическую (ГЦК). Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерен исходных кристаллитов. Вновь образующиеся кристаллы закономерно ориентированы по отношению к кристаллам исходной модификации.

При полиморфных превращениях металлов основное значение имеет температура. Линия PSK - линия эвтектоидного превращения, на которой заканчивается процесс вторичной кристаллизации. Линия PS - линия нижних критических точек А₁. Линия GSE - начало процесса вторичной кристаллизации твердого раствора. Линия GS - линия верхних критических точек А₃; она показывает температуру начала выделения феррита из аустенита. Линия SE - показывает температуру начала выделения вторичного цементита и является линией, определяющей предельную растворимость углерода в аустените. Превращение одной аллотропической формы в другую происходит при постоянной температуре, называемой температурой полиморфного превращения, и сопровождается тепловым эффектом, подобно явлениям плавление-затвердевание или испарение-конденсация. Это связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. На диаграмме «Fe-Fe₃C» линия PSK - линия эвтектоидного превращения, на которой заканчивается процесс вторичной кристаллизации. Линия PS - линия нижних критических точек А₁. Линия GSE - начало процесса вторичной кристаллизации твердого раствора. Линия GS - линия верхних критических точек А₃; она показывает температуру начала выделения феррита из аустенита. Линия SE - показывает температуру начала выделения вторичного цементита и является линией, определяющей предельную растворимость углерода в аустените.

Практическое значение аллотропических превращений железа очень велико, в частности с ними связано большинство видов термической обработки стали. Процесс образования кристаллов из жидкого металла называют первичной кристаллизацией. Превращения, протекающие в твердом металле, называют вторичной кристаллизацией. В процессе термической обработки стали,  происходит изменение кристаллического строения в определенном интервале температур, ограниченном нижней A₁ и верхней А₃ критическими точками. Основными видами термической обработки с применением полиморфных превращений-отжиг II рода, нормализация и закалка. Основные задачи первых двух видов термообработки перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений или исправление структуры. Закалка- термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава. Таким образом полиморфные превращения (процесс вторичной кристаллизации) имеет важное практическое значение и дает возможность изменять свойства и структуру стали при термообработке.

 

 

 

 

Железоуглеродистые сплавы состава 2,14 – 4.3 %С называются доэвтектическими белыми чугунами. Рассмотрим процесс  кристаллизации и фазовых превращений сплава с содержанием углерода 3,%. Выше температуры линии ликвидуса АС (1300°С) в равновесии будет находится только одна фаза-жидкость (Ж). От температуры несколько ниже линии ликвидус АС до 1147 °С из жидкости выделяются кристаллы аустенита (А). Состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, стремясь к эвтектическому, а твердой по линии солидус, стремясь к составу точки Е. При температуре 1147 °С концентрация жидкой фазы достигает точки С (4,3 %С), а аустенита – точки Е (2,14 %С). Из жидкости эвтектического состава образуется смесь аустенита и цементита – ледебурит 1147 °С.

Таким образом, ниже эвтектической  линии ЕСF структура характеризуется избыточными кристаллами аустенита и эвтектикой (ледебуритом). При охлаждении от 1147 до 727 °С состав аустенита непрерывно меняется по линии ЕS, при этом выделяется цементит вторичный (Ц_{вторичн.}). Вторичный цементит выделяется как из избыточного аустенита, так и из аустенита эвтектики. Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую.

Ниже 727 °С весь аустенит: и избыточный, и тот, который входит в состав эвтектики – претерпевает эвтектоидное превращение, при котором образуется перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура доэвтектического белого чугуна с содержанием углерода 3,0% характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита и цементитом вторичным. Чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики – ледебурита.

 

 

При 900°С в сплаве с  содержанием углерода 3,0% в равновесии находится 2 фазы: аустенит и цементит (Fe₃C). Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава (точка b), проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

 

Отрезки данной линии  между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно  пропорциональны количествам этих фаз. С точек пересечения горизонтальных линий (конод) с соответствующими линиями диаграммы (точки a и c) опускаем перпендикуляры на ось концентраций. В  состав аустенита будет входить 1,5% углерода, в состав цементита 6,67% углерода.

 Находим процентное  соотношение содержания фаз

где ab и bc-длины отрезков. Таким образом при температуре 900°С в равновесии будет 68% аустенита и 32% цементита.

 

 

 

Сталь Х05 заэвтектоидная, так как содержит более 0,8% углерода. Для получения заданных свойств (высокой твердости) заэвтектоидную сталь необходимо нагревать до температуры несколько выше точки Ас₁ (на 30 - 40°С) для перехода феррито-карбидной смеси в твердый раствор и охладить со скоростью выше критической для превращения аустенита в мартенсит. После закалки необходимо провести низкий отпуск (при температуре 150°С) для снятия остаточных внутренних напряжений. Особенности термической обработки заэвтектоидной стали связаны с тем, что структура ее состоит из перлита и цементита, имеющего твердость выше мартенсита; поэтому переводить цементит в твердый раствор нагреванием стали выше критической точки Ас₃, если он имеет зернистую форму, нецелесообразно. Это обусловлено тем, что мартенсит имеет твердость меньшую чем цементит. Кроме этого, при закалке структура заэвтектоидной - стали, закаленной с температуре несколько выше точки Ас₁, состоит из мартенсита с рассеянными в нем зернами цементита. Данная структура обеспечивает максимальную твердость и износоустойчивость стали.

 

Рис. Выбор  температуры нагрева под закалку

 

 

 

 

 

 

Рис. График термической  обработки заэвтектоидной инструментальной стали.

Исходная структура высокоуглеродистой стали Х05 до нагрева под закалку – перлит + карбиды. Критические точки для стали Х05: Аc₁=730ºС, Аc₃=800ºС. До температуры Аc₁ сохраняется исходная структура. При температуре Аc₁ происходит превращение перлита в аустенит с содержанием углерода 0,8%. При нагреве выше точки Ас₁ происходит растворение цементита в аустените (в соответствии с линией SE). Увеличение температуры выше точки Асm вызывает рост зерна аустенита. Оптимальный режим нагрева под закалку для заэвтектоидных сталей  составляет Ас₁ + (30÷50º), т.е. для Х05 – 760-780ºС. При этом после закалки (охлаждения со скоростью выше критической) имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали Х05 .Перед закалкой проводят сфероидизирующий отжиг для получения оптимальной структуры. После закалки проводят низкий отпуск для снятия закалочных напряжений. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка): учеб. Пособие / А.М. Адаскин, В.М. Зуев.- 6-е изд.стер.- М.: Изд. Центр «Академия», 2009.- 288с.

2. Гольчевская Н.Ю., Гольчевский В.Ф. Материаловедение /Серия «Учебник, учебные пособия».- Иркутск: ИрГТУ, 2008.- 428 с.

3. Материаловедение и термическая обработка металлов. Лахтин Ю.М.-М.: Металлургия, 1983.-359с

4. Материаловедение в схемах-конспектах: Учебное пособие/Под ред. И.Ю. Ульяниной.- М.: МГИУ, 1999. – 103 с.