Компоненты железоуглеродных сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Основные свойства железа

1.1 Механические и физические свойства железа

1.2 Аллотропия железа

1.3 Термический метод анализа

2. Характеристика углерода

Библиографический список

Введение

Следует отметить, что полиморфизм компонентов, склонность к возникновению метастабильных состояний, широкое разнообразие фазовых переходов в железоуглеродистых сплавах позволяют считать систему Fe - C универсальной моделью. Поэтому выяснение физической природы и механизма процесса формирования структуры железоуглеродистых сплавов имеет существенное значение для развития общей теории сплавов и для решения металловедческих вопросов при производстве и обработке не только сплавов на основе железа, но и цветных сплавов.

1. Основные свойства железа

1.1 Механические и физические свойства железа

Железо находится в периодической системе Д.И. Менделеева в VIII группе IV периода (порядковый номер 26). Это переходной элемент с атомной массой 55,85. Электроны по энергетическим уровням распределены следующим образом: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s².

Наружные электронные оболочки атомов железа имеют конфигурацию 3d⁶4s². В конденсированных железных фазах внешние электроны образуют энергетический спектр из широких перекрывающихся полос, s- и d-полос. В связи с этим переходы электронов на внешних уровнях осуществляются сравнительно легко, что обусловливает переменную валентность.

Температура плавления чистого железа (99,9917 %) равна 1539 °С, кипения - 3200 °С. Удельный вес его равен 7874 кг/м³.

Твердость железа зависит от чистоты металла. Твердость чистого железа по Бринеллю составляет 49 НВ, технического - около 90 НВ.

Механические свойства железа: предел прочности при растяжении _в = 250-300 МПа, относительное удлинение = 40 %, относительное сужение = 70 %, т.е. железо хорошо подвергается пластической деформации.

Из других свойств наиболее важными являются:

– удельное электрическое сопротивление (при 20 °С) - 1,0·10^-7 Ом·м;

– температурный коэффициент электрического сопротивления - 6,5·10^-3 К ^-1;

– модуль Юнга (Е) - 2·10⁵ МПа;

– модуль сдвига (G) - 0,8·10⁵ МПа;

– удельная теплоемкость (при 20 °С) - 0,465 кДж/(кг·К).

1.2 Аллотропия железа

Особенно важным свойством железа является его аллотропия, т.е. наличие нескольких кристаллических модификаций, что дает возможность упрочнять сплавы на основе железа закалкой на мартенсит. При изучении этого свойства железа необходимо разобраться с определениями понятий аллотропия и полиморфизм, а так же обратить внимание на то, что переход одной кристаллической модификации в другую связан с изменением величины свободной энергии и сопровождается изменением объема.

Понятие аллотропия (от греч. allos - другой и tropos - направление) означает существование одного и того же химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ. Аллотропия может быть результатом образования молекул с различным числом атомов (например, кислород О₂ и озон О₃) или различных кристаллических форм (например, углерод образует графит и алмаз). Таким образом, различные кристаллические формы железа называют полиморфными или аллотропическими модификациями. Полиморфные (аллотропические) модификации одного вещества существуют при различных температурах и давлениях.

Согласно диаграмме фазового равновесия (рис. 1) возможны шесть состояний железа: газообразное с очень слабой вандервальсовой связью и пять конденсированных состояний с металлической связью, энергия которой оценивается в 350-340 Дж/кмоль. Конденсированные фазы - жидкое железо и четыре кристаллические полиморфные модификации: -железо, -железо, -железо, -железо.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возможно еще одно равновесное состояние. При очень высоких температурах газообразное железо ионизируется и переходит в состояние плазмы. Железная плазма, состоящая из ионов и электронов, объединяемых дальним взаимодействием кулоновского типа, не имеет каких-либо принципиальных отличий от других видов плазмы и по ряду свойств резко отличается от железного газа. К таким свойствам относятся: сильное взаимодействие плазмы с внешними магнитными и электрическими полями; высокая электрическая проводимость; специфическое согласованное взаимодействие частиц плазмы через самосогласованное поле. Переход из состояния плазмы в газообразное состояние осуществляется постепенно по мере понижения температуры и повышения давления.

Для практического металловедения важна главным образом температурная аллотропия, т.к. возможные небольшие изменения давления обычно не приводят к полиморфным превращениям.

Однако процесс перестройки кристаллической решетки в затвердевшем металле, без участия жидкой фазы, отличается от первичной кристаллизации и обладает рядом особенностей.

Изменение объема при переходе одной кристаллической модификации в другую (например, Fe - Fe), происходящее в твердой анизотропной среде, сопровождается деформацией исходной и образующейся фаз, для чего требуется дополнительная энергия. Величина этой упругой энергии зависит от различия удельных объемов исходных и вновь образующихся фаз. Это различие вызывает искажения на границе раздела фаз.

Как уже отмечалось, в зависимости от внешних условий железо может существовать в четырех кристаллических модификациях ; ; ; . Низкотемпературное -железо (ниже 911 °С) и высокотемпературное -железо (выше 1392 °С) имеют одинаковую кубическую объемно-центрированную решетку (ОЦК). В интервале температур 911-1392 °С стабильным является -железо с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК). Модификация -железо имеет гексагональную плотноупакованную решетку (ГП) и устойчива при высоком давлении порядка 10²⁵ Па. При атмосферном давлении (10⁵ Па) существуют только кристаллические , и -модификации.

Переход одной кристаллической модификации железа в другую при изменении температуры связан с изменением величины свободной энергии и поясняется рисунком 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В интервале температур до 911 и выше 1392 °С железо с ОЦК решеткой (и -модификации) обладает более низким уровнем свободной энергии, чем железо с Г.Ц.К. - решеткой (-модификация). В интервале температур 911-1392 °С более стабильной является -фаза. Таким образом, фаза, устойчивая в одних температурных условиях, становится неустойчивой, нестабильной в других условиях. Температуры 911 и 1392 °С являются температурами равновесия, т.е. свободные энергии и -фаз при этих температурах одинаковы.

Переход одной кристаллической модификации в другую при охлаждении и нагревании может происходить лишь в случае некоторого переохлаждения или перенагрева (ДТ), т.е. при наличии разностей свободных энергий фаз (так называемого «термодинамического напора»).

Аллотропическое превращение связано с уменьшением координационного числа и компактности решетки, сопровождается изменением объема. Период решетки -железа (ОЦК) - 2,902 Е (ангстрема), а объем одной элементарной ячейки (содержащей 2 атома) равен 24,0 Е³. Элементарная ячейка -железа (ГЦК) содержит 4 атома, и объем ее должен быть, соответственно, равен двум элементарным объемам -железа. Однако период решетки -фазы при 911 °С равен 3,645 Е, а объем элементарной ячейки - 47,5 Е³. Различие объемов составляет около 1 %.

1.3 Термический метод анализа

Термический метод анализа металлов и сплавов имеет большое значение в металловедении. Все диаграммы состояния двойных, тройных и более сложных систем построены с помощью этого метода. Термический метод базируется на построении кривых нагревания или охлаждения в координатах «температура - время» - наиболее распространенный в металловедении метод построения диаграмм состояния на основе кривых охлаждения.

Так как фазовые превращения в металлах и сплавах сопровождаются тепловыми эффектами, на кривых охлаждения можно наблюдать либо остановки (площадки) - тогда фазовые превращения происходят при постоянных температурах, либо перегибы за счет изменения скорости охлаждения - тогда фазовые превращения протекают в интервале температур.

Температуры начала и конца фазовых превращений, которые определяются по кривым охлаждения, называются критическими и соответствующие им точки на кривых охлаждения - критическими точками.

При изучении термических кривых следует обратить внимание на различия между аллотропическим и магнитным превращением. Аллотропическое превращение связано с изменением кристаллической решетки и переходом одной кристаллической модификации в другую. Это фазовое превращение первого рода. Магнитное превращение не связано с перемещением атомов - это превращение второго рода.

Превращения в твердом состоянии, связанные с перестройкой кристаллической решетки, сопровождаются при охлаждении выделением тепла, а при нагревании - поглощением его.

При аллотропическом равновесии и -модификаций чистого железа имеется нонвариантное равновесие. Согласно правилу фаз Гиббса число степеней свободы, т.е. вариантность термодинамической системы, определяется числом компонентов, фаз и внешних переменных (температура, давление):

С = К + П - Ф,

где С - число степеней свободы (число внешних и внутренних факторов равновесия) системы или ее вариантность; К - число компонентов, образующих систему; П - число внешних переменных; Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

При постоянном атмосферном давлении, т.е. в изобарических условиях, число внешних переменных равно единице (температура), и уравнение принимает вид:

С = К - Ф +

При аллотропическом равновесии двух модификаций чистого железа (один компонент) число степеней свободы равно нулю:

С = 1 + 1 - 2 = 0.

В железе наблюдаются два аллотропических превращения, осуществляющихся по диффузионному механизму. На кривых охлаждения и нагревания железа при аллотропических (полиморфных) превращениях наблюдаются температурные остановки. Кривая охлаждения железа представлена на рисунке 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Впервые критические точки железа были определены в 1868 г. Д.К. Черновым по цвету каления железа, изменению объема, пластичности и другим свойствам.

Критические точки фазовых превращений принято обозначать латинской буквой А (от французского слова arret - остановка) с индексом в виде цифры. Чем ниже температура критической точки, тем меньше цифра. Для различения критических точек при нагревании и охлаждении к их обозначению добавляют индекс «с» или «r» соответственно (например, Ас1, Аr3). В обозначении используют начальные буквы французских слов chauffe - нагрев и refroidissement - охлаждение.

В таблице приведены обозначения критических точек чистого железа.

Критические точки чистого железа

железо аллотропия модификация охлаждение

Для понимания принципа обозначения критических точек в таблицу включены:

– критическая точка эвтектоидного равновесия сплава железа с углеродом (t = 727єС);

– критическая точка магнитного превращения цементита (t = 210єС).

Согласно общей теории кристаллизации температура фазовых переходов при нагреве выше, чем при охлаждении. Температура аллотропических превращений при нагреве выше, чем при охлаждении: А_с1 > A_r1 и A_c3 > A_r3.

Этот температурный (термический) гистерезис относится только к полиморфным превращениям, при которых происходит перестройка кристаллической решетки.

Температуры магнитных превращений А₀ и А₂ не имеют термического гистерезиса.

2. Характеристика углерода

Углерод - неметаллический элемент IV группы, II периода таблицы Д.И. Менделеева, порядковый номер 6, атомный вес равен 12,011, электронная структура 1s²2s²2p². Конфигурация внешних электронных оболочек 2s²2p². При потере всех четырех электронов внешней оболочки атомный радиус (0,77 Е) уменьшается более чем в четыре раза, ионный радиус С⁺⁴ составляет 0,15 Е. При растворении в железе углерод обычно ионизируется до С⁺⁴, малые размеры которого определяют относительно высокую растворимость углерода в конденсированных железных фазах (исключая объемно-центрированные упаковки), а также его высокую диффузионную подвижность. Углерод имеет очень высокую температуру плавления, около 3500єС.

При атмосферном давлении, т.е. в обычных условиях, углерод может находиться в трех аллотропических модификациях: графит, алмаз и карбин (графит II). Диаграмма состояния углерода приведена на рисунке 4; кристаллические решетки двух аллотропических модификаций приведены на рисунке 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Библиографический список

1. Пейсахов А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов [Текст]: учебник для студентов немашиностроит. спец. / А.М. Пейсахов, А.М. Кучер. - 2-е изд. - СПб.: Изд-во Михайлова, 2008. - 408 с.

2. Материаловедение [Текст]: учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / Б.Н. Арзомасов [и др.]; отв. ред. Б.Н. Арзомасов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГУ им. Баумана, 2010. - 512 с.

3. Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка) [Текст]: учебник для нач. проф. образования / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. - 2-е изд., стер. - М.: Академия, 2009. - 240 с.

4. Материаловедение и технология металлов [Текст]: учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / Г.П. Фетисов [и др.]; отв. ред. Г.П. Фетисов. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., 2009. - 862 с.: ил. - Библиогр.: с. 849-854.

5. Технология конструкционных материалов [Текст]: учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / А.М. Дальский [и др.]; под ред. А.М. Дальского. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2010. - 512 с.

6. Материаловедение и технология металлов [Текст]: учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / Г.П. Фетисов [и др.]; отв. ред. Г.П. Фетисов. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., 2008 - 638 с.

7. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст]: учебник для вузов. В 2 т. Т. 2. Технологии получения и обработки материалов. Материалы как компоненты оборудования / под ред. В.С. Чередниченко. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. - 508 с.

8. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст]: учеб. пособие для студентов вузов / под ред. В.С. Чередниченко. - 2-е изд., перераб. - М.: Омега-Л, 2008. - 752 с.

9. Рогачева Л.В. Материаловедение [Текст]: учебник для сред. проф. образования / Л.В. Рогачева. - М.: Колос-Пресс, 2010. - 136 с.

10. Материаловедение [Текст]: практикум для студентов технических вузов / под ред. С.В. Ржевской. - М.: Университетская книга, Логос, 2009. - 272 с.

11. Гуляев А.П. Металловедение [Текст]: учебник для вузов / А.П. Гуляев. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 2010. - 544 с.

12. Дриц М.А. Технология конструкционных материалов и мате-риаловедение [Текст]: учебник для студентов немашиностроит. спец. вузов / М.А. Дриц, М.А. Москалев. - М., 2010. - 447 с.

13. Общая металлургия [Текст]: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников [и др.]; под ред. В.Г. Воскобойникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 2008. - 768 с.

14. Материаловедение. Железоуглеродистые сплавы [Текст]: учеб.-метод. пособие / составители Ю.Е. Чертов, О.В. Жданова, В.И. Гомель. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007. - 50 с.

15. Журавлев В.Н. Машиностроительные стали [Текст]: справочник / В.Н. Журавлев, В.И. Николаева. - М.: Машиностроение, 2008. - 480 с.

Размещено на Allbest.ru