Что такое железо и углерод какие у них свойства
Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом. Железо — пластичный металл серебристо-белого цвета с невысокой твердостью (НВ 80). Температура плавления — 1539 °С, плотность 7,83 г/см3. Имеет полиморфные модификации (см. раздел 2.1.). С углеродом железо образует химическое соединение и твердые растворы.
Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fe3С. В нем содержится 6,67 % углерода (по массе). Имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку. Характеризуется очень высокой твердостью (НВ 800), крайне низкой пластичностью и хрупкостью.
Ферритом называется твердый раствор углерода к б- железе. Содержание углерода в феррите очень невелико — максимальное 0,02% при температуре 727 °С. Благодаря столь малому содержанию углерода свойства феррита совпадают со свойствами железа (низкая твердость и высокая пластичность). Твердый раствор углерода в высокотемпературной модификации Feб (т. е. в Feд) часто называют д- ферритом или высокотемпературным ферритом.
Аустенит — это твердый раствор углерода в г- железе. Максимальное содержание углерода в аустените составляет 2,14 % (при температуре 1147 °С). Имеет твердость НВ 220.
Перлит — это механическая смесь феррита с цементитом. Содержит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита. Перлит является эвтектоидом. Эвтектоид– это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).
Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3 % углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147 °С. При температуре 727 °С аустенит, входящий в состав ледебурита превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.
Фаза цементита имеет пять структурных форм: цементит первичный, образующийся из жидкого сплава; цементит вторичный, образующийся из аустенита; цементит третичный, образующийся из феррита; цементит ледебурита; цементит перлита.
Диаграмма Fе-Fе3С. На рис. 13 приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67 %. Левая вертикальная ось соответствует 100 % содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температуры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67 % углерода) соответствует 100 % содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно международному стандарту и изменению не подлежит.
Линия АВСД диаграммы является линией ликвидус. На ней начинается кристаллизация: на участке АВ — феррита, ВС — аустенита и СД — первичного цементита. Линия AHJECF является линией солидус диаграммы.
Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода делятся на техническое железо (до 0,02 % С), сталь (от 0,02 до 2,14 % С) и чугун (от 2,14 до 6,67 % С). Сталь, содержащая до 0,8 % С называется доэвтектоидной, 0,8 % С — эвтектоидной и свыше 0,8 % С — заэвтектоидной. Чугун, содержащий от 2,14 до 4,3 % С называется доэвтектическнм, ровно 4,3% — эвтектическим и от 4,3 до 6,67 % С — заэвтектическим.
Структура технического железа представляет собой зерна феррита или феррит с небольшим количеством третичного цементита. Обязательной структурной составляющей стали является перлит. Структура доэвтектоидной стали, состоит из равномерно распределенных зерен феррита и перлита. Эвтектоидная сталь состоит только из перлита. Структура заэвтектоидной стали представляет собой зерна перлита, окруженные сплошной или прерывистой сеткой вторичного цементита. Дня чугуна характерно наличие ледебурита в структуре. Структура доэвтектического чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита, эвтектического — из ледебурита и заэвтектического — из ледебурита и первичного цементита.
Значение диаграммы железо – цементит состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить режимы термической обработки для изменения свойств сталей.
Источник
Углерод в железе при различных условиях вызывает разные структурные состояния, определяемые количеством углерода и температурой среды.
Внедренный в железо углерод в различных соотношениях и при различной концентрации с условиями внедрения определяет массу различных свойств соединения. Это свойство нашло обширное практическое применение на производствах и в металлургической промышленности.
Различные состояния соединения железо-углерод имеют разные названия: стабильная твердая фаза – графит, затем по убыванию степени твердости цементит, аустенит, феррит и жидкая фаза.
Диаграмма железо-углерод
Начало изучению диаграммы железо-углерод положено в 1868 году инженером Обуховского металлургического завода Дмитрием Константиновичем Черновым. Ученый заметил, что у стали имеются критические точки, в которых степень сродства с углеродом резко меняется при проявляемой стабильности в другом температурном диапазоне. При этом критическая точка была вариабельна в зависимости от концентрации углерода, что обуславливало физические свойства конечного продукта.
В настоящее время диаграмма имеет диапазон температур до 1536 градусов по Цельсию. При более высокой температуре железо имеет жидкое агрегатное состояние и свободно растворяет любые количества углерода, образуя гомогенную массу. Соединения с углеродом находят практическое применение при пропорциях от 0,006% до 6,67% содержания углерода (цементит). Соединения при более высоких концентрациях нестабильны и не нашли практического применения, по этой причине шкала диаграммы ограничены концентрацией 6,67.
.
5 фаз диаграммы железо-углерод
Жидкая фаза – в этом состоянии железо растворяет углерод в любых соотношениях.
Феррит – образуется при температуре до 727 градусов. Концентрация углерода по мере увеличения температуры может возрастать от 0,006% до 0,02%. Его свойства близки к железу – мягкий, пластичный, магнитен при малом количестве углерода.
Аустенит – твердый раствор углерода в железе с кубической решеткой, где атомы углерода занимают центральное положение в решетке. Соединение обладает большей твердостью, нежели феррит. Проявляет парамагнитные свойства – то есть может быть намагниченным от внешнего магнитного поля. На практике его используют в составе сталей для придания сплаву устойчивости как к литью, так и закалке. Открытие аустенита позволило в разы ускорить процесс литья стали и ее закалки за счет повышения температурных режимов производства.
Цементит – очень твердое, но хрупкое соединение, магнитных свойств не имеет. Является результатом добавления углерода до 6,67% при темпере до 1536 градусов. Излишек углерода свыше 6,67% выделится в виде графита. Соединения считается условно стабильным, так как при длительном нагревании начинает выделять графит и уровень углерода снижается. В зависимости от условий получения, цементит может иметь различную форму – пластин, равноосные зерна, сетка и т.д. Цементин входит в различных концентрациях в состав железоуглеродистых сплавов. В промышленности цементит является основным сырьем для изготовления бетона и железобетона, которые являются самыми распространенными строительными материалами на сегодняшний день. Его уникальность заключается в его практически нулевой пластичности – он либо остается неизменной формы, либо ломается. Это объясняется сложностью строения его кристаллической решетки.
Графит – чистый углерод, не содержащий железа. Графит самый низкий по плотности из всех перечисленных фаз. Графит присутствует в соединениях чугуна и некоторых марках высокопрочной стали.
Графит находит особо широкое применение из-за его физических свойств: из него производят электроды и нагревательные элементы за счет его высокой электропроводимости и особой устойчивости к водным растворам, несвойственной ряду металлов. Его применяют также для получения синтетических алмазов, высокопроводящих клеев, наполнителя пластмасс и еще во множестве специфических сфер.
Заключение
Углерод, вступая в реакцию с железом в различных условиях, делает из железа совершенно уникальные соединения, придавая ему свойства, которые изначально и не подозревались. А доступность обоих материалов делает их ведущей основой для производства самой различной направленности
Источник
К железоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, является железо и углерод.
Железо может находиться в двух аллотропических формах – α и γ.
Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химические соединения, α-железо растворяет углерода очень мало (до 0,02 % при температуре 727 °С).
Твердый раствор углерода и других элементов в α-железе называется ферритом. Структура феррита показана на рис. 28, а. Феррит имеет низкую твердость и прочность: 80 НВ; σв=250 МПа (25 кгс/мм2) и высокую пластичность и вязкость (δ = 50 %; ψ = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м2). Поэтому технически чистое железо, структура которого представляет зерна феррита, хорошо подвергается холодной деформации, т. е. хорошо штампуется, прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в железоуглеродистых сплавах, тем они пластичнее.
Рис. 28. Микроструктура: а – феррит, X 200; б – аустенит, X 500; в – цементит (в виде сетки), X 500
В значительно больших количествах растворяет углерод γ-железо (до 2,14 % при температуре 1147 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе называется аустенитом. Характерная особенность аустенита заключается в том, что он в железоуглеродистых сплавах может существовать только при высоких температурах. Как и всякий твердый раствор, аустенит имеет микроструктуру, представляющую собой зерна твердого раствора (рис. 28, б). Аустенит пластичен δ = 40 – 50 %, а твердость его составляет 160 – 200 НВ.
Железо с углеродом также образуют химическое соединение Fe3C, называемое цементитом или карбидом железа. В цементите 6,67 % С; он имеет высокую твердость (более 800 НВ), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. При микроскопическом исследовании цементит выявляется в виде светлых кристаллов (сетка на рис. 28, б). Цементит неустойчив (метастабилен) и при определенных условиях может распадаться, выделяя свободный углерод в виде графита.
3.2. Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы (fe – Fe3C)
Диаграмма состояния Fe – Fe3C приведена на рис. 29. На этой диаграмме точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (≈1600 °С) – температуре плавления (затвердевания) цементита. Линия AВCD – это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии AВCD – сплав жидкий. Линия AНJECF –это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).
Рис. 29.Диаграмма состояния Fe – Fe3C
По линии ликвидуса АВС (при температурах, соответствующих линии АВС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD – цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при температуре 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса АHJЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита. На линии солидуса ЕС (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит + ледебурит.
На линии солидуса CF (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру – первичный цементит + ледебурит.
В области АВСЕJHА, между линией ликвидуса АС и солидуса АHJЕС, имеется жидкий сплав + кристаллы аустенита; в области CDF, между линией ликвидуса CD и солидуса CF, – жидкий сплав + кристаллы цементита (первичного).
В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14 % образуется однофазная структура – аустенит.
Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями. Следовательно, сталь – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %.
Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами. Следовательно, чугун – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.
В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSE, PSK, PQ.
Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP имеется структура аустенит + феррит. Критические точки, лежащие на линии GS обозначают А3; при нагреве их обозначают Ас3, а при охлаждении – Аr3. Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147 °С в аустените может раствориться углерода 2,14 %, а при 727°С – 0,8 %. С понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727 °С) сталь имеет структуру: аустенит + цементит вторичный.
Критические точки, лежащие на линии SE, обозначаются Аст. В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147 °С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже выделяется вторичный цементит. Следовательно, ниже линии ЕС (до температуры 727 °С) белый чугун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вторичный.
Линия PSK (727°С) – это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом. Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначаются А1, при нагреве их обозначают Аc1 а при охлаждении – Аr1.
Ниже 727 °С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры. Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, имеют структуру феррит + перлит и называются доэвтектоидными сталями (рис. 30, а).
Рис. 30. Микроструктура стали: а – доэвтектоидная сталь, феррит (светлые участки) и перлит (темные участки), X 500; б – эвтектоидная сталь, перлит X 1000; в – заэвтектоидная сталь, перлит и цементит (в виде сетки) X 200
Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью (рис. 30, б).
Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % имеют структуру перлит + цементит (вторичный) и называются заэвтектоидными сталями (рис. 30, в).
Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % имеют структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими чугунами (рис. 31, а).
Белый чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим чугуном (рис. 31, б).
Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % имеют структуру цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чугунами (рис. 31, в).
Рис. 31. Микроструктура белого чугуна: а – доэвтектический чугун, перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), X 500; б – эвтектический чугун, ледебурит (темные участки – перлит, светлые – цементит), X 1000; в – заэвтектический чугун, цементит (светлые пластины) и ледебурит, X 500
Рис. 32. Микроструктура низкоуглеродистой стали (по границам зерен феррита третичный цементит)
Линия PQ (см. рис. 29) показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при комнатной температуре. При охлаждении ниже температуры 727 °С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом третичный цементит структурно не выявляется.
Однако в низкоуглеродистых сталях в условиях медленного охлаждения третичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 32), уменьшая пластические свойства стали, особенно ее способность к холодной штамповке.
Источник
Сплавы железа и углерода – стали и чугуны – наиболее широко применяются в машиностроении. Объем их производства примерно в десять раз превышает производство всех других металлов, вместе взятых.
Компоненты и фазы в сплавах “железо – углерод”
Железо и углерод – это вещества, претерпевающие полиморфные превращения.
Железо – металл серебристого цвета; атомный номер 26; атомная масса 55,85 углеродных единиц; атомный радиус 0,127 нм. Плотность железа 7874 кг/м3. Температура плавления 1539 °С.
Железо в твердом состоянии может находиться в двух модификациях: железо-α (Feα), решетка ОЦК с периодом а, равным 0,286 нм, и железо-γ (Feγ), решетка ГЦК с периодом а = 0,364 нм. Feα существует при температурах до 910 °С и от 1392 °С до 1539 °С. Feα является магнитным (ферромагнитным) металлом до температуры 768 °С – точки Кюри, при которой он переходит в парамагнитное состояние. Железо с решеткой ОЦК, существующее при температурах свыше 1392 °С, обозначают железо-δ (Feδ). Fe существует в интервале температур 910…139 °С и обладает парамагнитными свойствами.
Превращения, претерпеваемые железом при нагреве, приведены на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Превращения железа при нагреве
Температуры превращений железа (и сплавов на его основе) – критические точки – обозначают буквой А с индексами: с при нагреве – Ас и r при охлаждении – Аr с соответствующими номерами (рис. 4.2).
Железо образует со многими элементами химические соединения (например, с углеродом – карбиды, азотом – нитриды, серой – сульфиды и др.). Железо образует также твердые растворы: замещения с металлами и внедрения с неметаллами (углерод, азот, водород).
Углерод – неорганическое неметаллическое вещество; это элемент II периода IV группы Периодической системы, атомный номер 6, атомная масса 12,011, атомный радиус 0,077 нм, температура плавления 3500 °С. Может существовать в различных модификациях – графит и алмаз. Полиморфное превращение графит → алмаз происходит при высоких температурах и давлениях (реализуется при синтезе алмаза, см. 9.2.6).
Взаимодействие железа и углерода
Углерод растворяется в железе, находящемся в жидком состоянии, он растворяется также в железе, находящемся в твердом состоянии, – Feα и Feγ, образуя при этом твердые растворы – феррит и аустенит соответственно. Углерод образует с железом и химическое соединение – карбид железа, называемый цементитом. Кроме того, в структуре ряда сплавов “железо – углерод” углерод может находиться в свободном состоянии в виде графита.
Рис. 4.2. Критические точки железа
Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в α-железе. Растворимость углерода в феррите мала, так как центр куба решетки ОЦК занят атомом железа: 0,006% при температуре 20 °С, растворимость повышается при нагреве и достигает максимальной 0,02% при температуре 727 °С. Предельная растворимость углерода в высокотемпературном 8-феррите достигает 0,1% при 1499 °С. Феррит имеет невысокие твердость и прочность (~ 80 НВ, σΒ = = 250…270 МПа, σ02 = 120…130 МПа) и высокую пластичность (8 = 50%, = 80%). Модуль нормальной упругости E=220 000 МПа.
Аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-железе. Атом углерода в ГЦК-решетке γ-железа располагается в центре элементарной ячейки. Поэтому растворимость углерода в аустените значительно выше, чем в феррите. Она составляет 0,8% при 727 °С – минимальной температуре существования аустенита и повышается до 2,14% (предельная растворимость) при температуре 1147 °С. Для аустенита характерны высокая пластичность, низкие прочность и предел текучести; твердость аустенита – 170…200 НВ.
Структуры феррита и аустенита приведены на рис. 4.3.
Цементит (Ц) – карбид железа Fe3C, максимальное содержание углерода в котором составляет 6,67%. Цементит имеет ромбическую решетку (см. 1.3.1 и табл. 1.1), высокую твердость 800…850 IIV и низкую пластичность. Температура плавления цементита – 1260 °С. Цементит является
Рис. 4.3. Структура феррита при 20 °С (а) и аустенита при 1000 °С (б). × 250
метастабильной фазой и может распадаться с образованием свободного углерода в виде графита.
Графит (Гр) – углерод, находящийся в структуре сплавов в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку, обладает хорошей электропроводностью, химической стойкостью, малой прочностью, очень низкой твердостью.
Таким образом, в сплавах железа с углеродом существуют следующие фазы: жидкий раствор (Ж), феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц) и свободный углерод в виде графита (Гр). Среди этих фаз имеются две высокоуглеродистые: метастабильная – цементит (Ц) и стабильная – графит (Гр).
Цементит и графит являются компонентами двух разных диаграмм состояния железоуглеродистых сплавов. Одна – метастабильная, характеризующая превращения в системе “Fe – Fe3C” (железо – цементит), а другая стабильная, отражающая превращения в системе “Fe – С” (железо – углерод).
Источник