Ледебурит

Структура и свойства[править | править код]

Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в эвтектической жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идет сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу.

В зависимости от температуры, фазовый состав ледебурита может быть разным. Так в температурном интервале от 1147 °C до 727 °C ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температурах ниже 727 °C — из феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Фазовая диаграмма Железо — Углерод.

Метастабильная диаграмма железо-цементит

Метастабильную диаграмму называют также «цементитной». Отличие от стабильной («графитной») диаграммы возникают при выделении углерода – в виде графита или цементита.

Как показано на двойной диаграмме, решетки аллотропных форм железа (δ, γ и α или дельта, гамма и альфа) служат «растворителем» для образования соответственно твердых δ-, γ- и α-растворов углерода в железе.

Когда железо с очень малым содержанием углерода кристаллизуется, то кристаллы твердого дельта-раствора выделяются по линии ликвидус АВ и линии солидус АН. Твердый дельта-раствор имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку – точно такую же как и твердый альфа-раствор. При максимальной температуре твердого дельта-раствора 1490 ˚С содержание углерода составляет 0,1 % (точка Н). При температуре 1490 ˚С происходит перитектическая реакция между пересыщенным твердым δ-раствором и жидкой фазой, содержащей 0,5 % углерода (точка В). В результате образуется твердый γ-раствор углерода в железе. Он содержит 0,18 % углерода (точка I).

Если содержание углерода выше, чем 0,5 %, то твердый γ-раствор кристаллизуется прямо из жидкой фазы (по линии ликвидуса ВС и линии солидуса IE). При температуре 1130 ˚С ограниченная растворимость углерода в γ-железе составляет около 2,0 % (точка Е). Снижение температуры ниже 1130 ˚С приводит к снижению растворимости углерода в γ-железе по линии ЕS. При температуре 723 ˚С растворимость углерода составляет 0,8 % (точка S). Линия ES соответствует выделению карбида железа (цементита) из γ-железа.

При повышении содержания углерода температура, при которой гамма-решетка превращается в альфа-решетку снижается и это превращение происходит в интервале температуры, соответствующем линиям GS и GP.

Линия выделения альфа-фазы GS пересекается с линией выделения карбида железа ES в точке S. Точка S является эвтектической точкой со следующими координатами: 723 ˚С по температуре и 0,80 % по содержанию углерода. В этой точке из гамма-раствора эвтектоидного состава одновременно выделяются твердый альфа-раствор (феррит) и карбид железа (цементит).

Решетка твердого альфа-раствора является идентичной решетке твердого дельта-раствора. При эвтектоидной температуре 723 ˚С твердый альфа-раствор содержит 0,02 % углерода (точка Р). Дальнейшее охлаждение приводит к понижению растворимости углерода в альфа-железе и при комнатной температуре она составляет только малые доли процента (точка D).

Когда содержание углерода составляет от 2,0 до 4,3 %, кристаллизация начинается с выделения гамма-раствора по линии ВС. Увеличение содержания углерода выше 4,3% приводит к выделению карбида железа по линии CD.

Выделение дополнительной первичной фазы в сплавах с содержанием углерода выше 2,0 % сопровождается эвтектической кристаллизацией гамма-раствора и карбида углерода в точке С, координаты которой – 1130 °С и 4,3 % углерода.

Линия МО связана с магнитным превращением, то есть переходом от ферромагнитного к парамагнитному состоянию железа.

Фазы в системе «железо-углерод»

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

Жидкая фаза

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит

Феррит (Ф, α)- твердый раствор внедрения углерода в α-железе (от латинского слова ferrum – железо). Различают низкотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727° С (точка P) и высокотемпературный δ-феррит (в интервале температур 1392…1539° С) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499° С (точка J).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 80 — 130 НВ, временное сопротивление – σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение — δ=50 %), магнитен до 768° С.

Под микроскопом феррит выглядит как светлые полиэдрические зерна. В сталях может существовать в виде сетки (разной толщины, в зависимости от содержания углерода), зерен (малоуглеродистые стали), пластин или игл (видманштетт).

Аустенит в сталях

Аустенит (А, γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ–железо (по имени английского ученого Р. Аустена). Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в γ -железе 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е). Аустенит имеет твердость 180 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40…50 %), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. Под микроскопом выглядит как светлые полиэдрические зерна с двойниками.

Цементит – формы существования

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо — цементит и железо — графит. Первая диаграмма (Fе — Fе3С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе — С) — графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура — содержание углерода. Диаграмма состояния системы железо — углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран. Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова

Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части

Буквенное обозначение узловых точек в диаграмме является общепринятым как в России, так и за рубежом.

Диаграмма состояния железо-углерод

Имеющиеся во всех областях диаграммы фазы видны на рисунке. Значение всех линий указано в таблице.

Ликвидус по всей диаграмме проходит по линиям АВ, ВС, СD; солидус — по линиям АН, НJ, JЕ, ЕСF. Сплавы железа с углеродом обычно делят на стали и чугуны. Условной границей для такого деления является 2,14 % С (точка E). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % — к чугунам.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения. Обозначаются буквой А. В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс с (от слова chauffage – нагрев) при нагреве и индекс r (от слова refroidissement – охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.

Таким образом, например, нагрев доэвтектоидной стали выше соответствующей точки на линии GS обозначается как нагрев выше точки АС3. При охлаждении же этой стали первое превращение должно быть обозначено как Аr3, второе (на линии РSК) — как Аr1.

Структура и свойства

Ледебурит является структурным компонентом железоуглеродистых сплавов, в первую очередь чугуна, и представляет собой сокристаллическую смесь аустенита и цементита в диапазоне температур от 723 до 1147°c, или феррита и цементита ниже 723°c.

Назван в честь немецкого Металлурга Карла Генриха Адольфа редебура.

Основная стадия появления Ледебурит начинается с цементита. Плоский аустенитный дендрит растет на пластине цементита, полученного из эвтектической жидкости. Далее следует относительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов в обеих фазах.

В зависимости от температуры состав редебритной фазы может изменяться. Поэтому в интервале температур от 1147°С до 727°с Красный Брит состоит из аустенита и цементита, а также перлита и цементита при температурах ниже 727°С.

Красный Бритт обладает высокой твердостью и хрупкостью.

Доэвтектический чугун

Графитовые образования ( 10 — 100 А), возникающие над линией ликвидуса в доэвтектических чугунах, обладают развитой поверхностью, а свойства такой системы ( жидкость дисперсные образования) зависят от свойств и размеров входящих в нее поверхностей раздела. Пинакоиды графита являются устойчивыми образованиями. Выдержка при 1700 С не устраняет полностью микронеоднородность расплава. Таким образом, микрогетерогенность расплавов чугуна имеет наследственное происхождение, связанное с неполным растворением углерода в процессе плавки. На основании экспериментальных данных можно предположить, что дисперсные выделения графита начинаются выше температуры ликвидуса.

Титан понижает температуру эвтектического превращения и способствует переохлаждению чугуна, при содержании до 0 5 % в доэвтектическом чугуне способствует графитизации и выделению графита в виде мелких пластин. Титан является хорошим раскислителем, способствует равномерному распределению в чугуне графита. Титан нейтрализует действие хрома в чугуне, являясь модификатором, вследствие чего отпадает необходимость в повышении содержания кремния. Титан способствует повышению механических свойств, особенно прочности высокоуглеродистых чугунов. При содержании 0 18 — 0 20 % титан с углеродом образуют карбиды и препятствуют графитизации. Титан используют как модификатор при производстве ковкого чугуна, но для отливок из высокопрочного чугуна Ti нежелательная примесь, так как препятствует образованию шаровидного графита.

В зависимости от концентрации углерода в сплаве чугуны разделяются на доэвтектические, эвтектиче: кие и заэвтектические: доэвтектические чугуны содержат 2 14 — 4 3 % С и имеют структуру перлит — Ь цементит; эвтектические чугуны содержат 4 3 % С и состоят из ледебурита; заэвтектический чугун содержит более 4 3 % С, имеет структуру ледебурит цементит.

Рассмотрим в соответствии с диаграммой состояния железо — углерод фазовые превращения, происходящие при охлаждении из жидкого состояния в доэвтектическом чугуне, содержащем 3 % С.

Такой же распавшийся аустенит наблюдается также и на избыточных ( темных) участках, содержащихся в большем или меньшем количестве в доэвтектических чугунах ( фиг.

Жидкотекучесть чугуна характеризует заполнение литейной формы и зависит главным образом от химического состава и температуры заливки С, Si, Р и Си повышают жидкотекучесть доэвтектического чугуна, a S и Сг понижают ее; влияние Мп и Ni на жидкотекучесть незначительно.

Точка С ( 4 3 % углерода) представляет собой эвтектическую точку и разделяет сплавы, содержащие от 2 до 6 67 % углерода ( чугуны), на две группы: сплавы, содержащие менее 4 3 % С, — доэвтектические чугуны, а сплавы, содержащие более 4 3 % С, — заэвтектические чугуны. Следует подчеркнуть, что в машиностроении практическое значение имеют доэвтектические и эвтектические чугуны, а заэвтектические чугуны не применяются.

Влияние углерода на твердость хромистых чугунов при содержании кремния, %.

Эвтектический состав чугунов с 30 — 35 % Сг приходится на — 2 5 % С. Доэвтектический чугун имеет структуру твердого раствора хромистого феррита и эвтектических карбидов, количество которых зависит от содержания углерода.

Твердая фаза в области, лежащей между линиями EGF и PSK с содержанием углерода более 2 14 %, соответствующая белым чугунам, имеет различный состав. Доэвтектические чугуны ( 2 14 — 4 3 % углерода) состоят из аустенита и ледебурита, эв тектические ( 4 3 %) из ледебурита и заэвтектические ( 4 3 — 6 67 %) из цементита и ледебурита. При этом, в отличие от сталей, температура плавления чугунов ( линия EGF) постоянна и не зависит от содержания в них углерода.

Чугуны по структурным свойствам подразделяют на доэвтек-тические и заэвтектические относительно эвтектического состава 4 3 % С. Доэвтектические чугуны имеют перлитно-ледебуритную структуру, а заэвтектические — цементитно-ледебуритную.

Во всех чугунах имеется аустенит. В доэвтектических чугунах имеется свободный аустенит ( см. сплав / — /, фиг.

Наконец, в доэвтектических чугунах первичные выделения аустенита меняют свою концентрацию при охлаждении от точки 3 до точки 4 ( сплав / CJ от 2 до 0 8 % С, и в точке 4 происходит перлитное превращение. Структура такого доэвтектического чугуна состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита. Структура доэвтектического чугуна показана на фиг.

Наконец, в доэвтектических чугунах первичные выделения аусте-нита меняют свою концентрацию при охлаждении от точки 3 до точки 4 ( сплав KJ) от 2 14 до 0 8 % С, и в точке 4 происходит перлитное превращение. Структура такого доэвтектического чугуна состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита.

Структура и свойства

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Структура и свойства

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Сплавы железа с углеродом

Железоуглеродистые сплавы могут содержать следующие структурные компоненты:

Феррит (F) представляет собой твердый раствор, содержащий углерод и другие элементы в iron. It имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала, до 0,005% при комнатной температуре. При 727°C, самая высокая растворимость 0,02% феррита очень пластична, мягка и обрабатывается путем приложения давления в холодных условиях.

Аустенит (а) представляет собой твердый раствор углерода и других элементов G-iron. It присутствует только при высоких температурах. максимальная растворимость углерода в г-железе составляет 1147% при температуре 2,14°С и 727 ° с при 0,8%.Эта температура является нижним пределом присутствия аустенита в железоуглеродистом сплаве. Аустенит очень пластичен, но тверже феррита.

Основные структуры

Сплав железа и углерода является основой стали и чугуна, которые называются железными сплавами, и это самые важные конструкционные материалы в технологии.

Структура и свойства сплава во многом зависят от характеристик основных компонентов и аддитивных элементов, а также характера их взаимодействия.

Чистое железо-серебристо-белый металл, тугоплавкий. Температура плавления железа составляет 1539°C. железо имеет 2 полиморфные модификации a и G.

При температурах ниже 910°C железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Это изменение называется A-iron. а-железо-это температура до 768°С (точка Кюри) магнитно.

Когда утюг нагрет, тел-центризованная кубическая решетка 910°С поворачивает в сторон-центризованную кубическую решетку, и А-утюг поворачивает в г-утюг. г-железо присутствует при температуре 910-1392°с

Углерод-неметаллический элемент. Температура плавления углерода составляет 3500°С. углерод в природе существует в 2 полиморфных модификациях: Алмаз и графит.

В сплаве свободный углерод-железо углерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Его прочность и пластичность очень низки.

Углерод может растворяться в железе в жидком и твердом состоянии, образуя химические соединения-цементит может находиться в свободной форме в виде графита.

Структура и свойства

Итак, определить, что представляет собой ледебурит достаточно просто. Главной фазой, которая обеспечивает его образование, считается цементит. На поверхности этой составляющей, за рождение которой отвечает эвтектическая жидкость, появляется пластина дендрита аустенита. Следом происходит мгновенное парное разрастание кристаллических элементов из фаз. С учётом температурных режимов, ледебуритный состав, как правило, имеет различные компоненты. К примеру, температура 1145 – 726 свидетельствует о присутствии цементита и аустенита в ледебуритной основе. Понижение теплового показателя обеспечивает появление таких объектов, как феррит и цементит. Преимущество ледебурита состоит в том, что он отличается повышенной хрупкостью и твердостью.

Компоненты в системе «железо-углерод»

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит:

Железо

Железо – d-переходный металл серебристо-светлого цвета. Температура плавления – 1539° С. Удельный вес равен 7,86 г/см3. Наиболее существенной особенностью железа является его полиморфизм. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях — α и γ. Полиморфные превращения происходят при температурах 911° С и 1392° С. При температуре ниже 911° С и выше 1392° С существует Feα (или α-Fе) с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392° С устойчивым является Feγ (или γ-Fе) с гранецентрированной кубической решеткой. При превращении α→γ наблюдается уменьшение объема, так как решетка γ-Fе имеет более плотную упаковку атомов, чем решетка α-Fе. При охлаждении во время превращения γ→α наблюдается увеличение объема. В интервале температур 1392…1539° С высокотемпературное Feα называют Feδ. Высокотемпературная модификация Feα не представляет собой новой аллотропической формы.

При температуре ниже 768° С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точку 768° С, соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри. Модификация Feγ парамагнитна.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (временное сопротивление – σв=250 МПа, предел текучести – σт=120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ=50 %, а относительное сужение – ψ=80 %). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Углерод

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 с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000° С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Цементит

Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Более точные исследования показали, что цементит может иметь переменную концентрацию углерода. Однако в дальнейшем, при разборе диаграммы состояния, сделаем допущение, что Fе3С имеет постоянный состав. Кристаллическая решетка цементита ромбическая, удельный вес 7,82 г/см3 (очень близок к удельному весу железа). При высоких температурах цементит диссоциирует, поэтому температура его плавления неясна и проставляется ориентировочно – 1260° С. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 210° С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: например, азотом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Если графит является стабильной фазой, то цементит – это метастабильная фаза. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита

Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов

Норма железа в крови

Норма железа в крови зависит от пола и возраста человека. Из-за конституционной особенности организма, скорости обмена веществ, меньшей мышечной массы, у женщин потребность в железе ниже, чем у мужчин.

Показатель колеблется:

у девушек от шестнадцати до восемнадцати лет норма микроэлемента составляет 5,8-18 мкмоль/л;
в репродуктивный период увеличивается до 11,5-30,4;
в период после 45 до 65 лет 12-31;
после 65 лет показатели незначительно понижаются.

Показатели железа у беременных, в зависимости от срока, должны колебаться приделах 8,9-30,3 мкмоль/л.

У мужчин:

в подростковый период норма составляет 5-25 мкмоль/л;
с 19 до 45 лет увеличивается до 11,5-30,5;
45-65 лет 12-32 мкмоль/л.

У мужчин старше шестидесяти пяти лет норма уменьшается до 12-29,7 мкмоль/л.

У новорожденных первого месяца жизни норма железа 5-20 мкмоль/л, у малышей до года 5-21, до пяти лет 5-18, до 11 ‒ 5,5-11,5.

Даже зная норму железа в крови, самостоятельно разобраться в анализах невозможно, поскольку еще учитываются лабораторные данные в системе.

Чистое железо

Цементит представляет собой соединение железа и углерода (fe3c) карбонизированного. Цементит содержит 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он имеет сложную кристаллическую решетку. Железо-самый твердый и хрупкий компонент углеродного сплава. Цементит неустойчив, при определенных условиях реакция Fe3C> 3Fe +С вызывает образование и разложение свободного углерода в виде графита.

Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше твердость.

Графит является аллотропным вариантом углерода. Графит мягкий, и его прочность очень низкая. Чугун и графитизированная сталь входят в состав в виде включений различной формы.

Перлит (Р) представляет собой механическую смесь феррита и цементита, содержащую 0,8% углерода. Он образуется при перекристаллизации (коллапсе) аустенита при температуре 727°С. этот распад называется эвтектоидным, а перлит-эвтектоидным. Перлит обладает высокой прочностью, твердостью, что повышает механические свойства сплава.

Редебрит представляет собой механическую смесь аустенита и цементита, содержащую 4,3% углерода. Образуется в результате эвтектического превращения при температуре 1147 ° С. При температуре 727°с аустенит превращается в перлит, а после охлаждения красный брикет превращается в смесь перлита и цементита. Редебрит обладает высокой твердостью и превосходной хрупкостью. Все белое входит в состав чугуна.

Структура и свойства[править | править код]

Метастабильная диаграмма железо-цементит