Bilim.techО проекте

Диаграмма железо-углерод

Чем сталь 45 отличается от У8 и чугуна? Ставь точку «углерод, температура» на диаграмме, остужай сплав и смотри в микроскоп, сколько в нем феррита, перлита и цементита.

01 Что это такое

Диаграмма железо-углерод это карта: по проценту углерода и температуре она говорит, из чего сейчас состоит сплав.

Сталь и чугун это железо с углеродом. Если углерода меньше 2,14 %, сплав называют сталью: ее можно ковать и гнуть. Больше 2,14 % это чугун: он хорошо льется, но хрупкий. Внутри сплава углерод живет по-разному. Он растворяется в железе (феррит, аустенит) или образует твердое и хрупкое соединение Fe3C, цементит. Найди на карте точку «углерод, температура», и диаграмма подскажет, какие зерна увидишь под микроскопом и сколько каждого вида.

жидкий сплаваустенит γферрит + цементитСТАЛЬЧУГУН2,14 % C0,84,3727 °C1147 °C1539 °C
Слева от 2,14 % стали, справа чугуны. Ниже 727 °C любой сплав состоит из феррита и цементита, а меняется только то, как они уложены.
Ф
Феррит. Железо с решеткой ОЦК, углерода в нем почти нет, не больше 0,02 %. Мягкий и пластичный, около 80 HB.
А
Аустенит. Железо с решеткой ГЦК, бывает только в горячей стали. Растворяет до 2,14 % углерода. Из него при закалке получают мартенсит.
П
Перлит. Тонкие чередующиеся пластинки феррита и цементита, как слои в торте. Получается из аустенита с 0,8 % C при 727 °C. Прочнее и тверже феррита.
02 Опыт
Ставь точку. Остужай. Смотри в микроскоп. ДИАГРАММА Fe–Fe3C
МАТЕРИАЛЫ

Из чего сейчас состоит сплав?

Рис. 2.2
ГОТОВЫЕ СПЛАВЫ
Точка
Фазы
Доли по рычагу
03 Формулы по буквам

Сколько каждой фазы и сколько в стали углерода

Диаграмма отвечает не только «что», но и «сколько». Числа в карточках берутся из точки на диаграмме и меняются вместе с ней.

Какая доля каждой фазы?

Qлев = (cпр − c) / (cпр − cлев)

Правило рычага. Через точку проводим горизонталь до двух границ области. Доля левой фазы равна длине противоположного, правого плеча, деленной на весь отрезок.

Qлев
доля фазы на левом конце отрезка, от 0 до 1
c
углерод во всем сплаве, %
cлев, cпр
углерод в каждой из двух фаз, %: где горизонталь упирается в границы

Сколько перлита в остывшей стали?

П = (c − 0,02) / (0,8 − 0,02)

То же правило рычага, но для структуры при комнатной температуре: между ферритом (0,02 %) и перлитом (0,8 %). По доле перлита на шлифе металловед на глаз оценивает углерод в стали.

П
доля перлита в доэвтектоидной стали (до 0,8 % C)
0,8
углерод в перлите, %: точка S
ЦII
в стали больше 0,8 % вместо феррита выпадает сетка цементита: ЦII = (c − 0,8) / (6,67 − 0,8)

Как прочитать марку стали?

45 → 0,45 % C

У конструкционных сталей число в марке это углерод в сотых долях процента. У инструментальных (буква У) в десятых: У8 это 0,8 %. Буквы после цифр означают добавки: Г марганец, Х хром, Н никель, С кремний.

Сталь 45
0,42–0,50 % C: валы, пальцы, шестерни
65Г
0,62–0,70 % C и около 1 % марганца: пружины, ножи
У8
0,75–0,84 % C: зубила, ударный инструмент
СЧ20
серый чугун с пределом прочности 200 МПа, около 3,3 % C

Откуда берется правило рычага

Углерод никуда не девается: сколько его было в сплаве, столько и осталось, просто он разошелся по двум фазам. Пусть доля левой фазы Q, правой 1 − Q. Тогда весь углерод: Q · cлев + (1 − Q) · cпр = c. Отсюда и получается Q = (cпр − c) / (cпр − cлев).

Это ровно условие равновесия рычага. Точка сплава это опора, на концах грузы Q и 1 − Q. Чем ближе опора к одному концу, тем тяжелее груз на этом конце. Например, сталь 45 при 20 °C: рычаг от феррита (0,02 %) до перлита (0,8 %), опора на 0,45 %, и перлита выходит чуть больше половины.

Почему аустенит растворяет углерода в сто раз больше, чем феррит? В решетке ГЦК пустоты между атомами крупнее, и атому углерода есть где поместиться. Подробнее о решетках в теме «Кристаллическая решетка металла».

Q1−Qc − cлевcпр − ccлевc сплаваcпрQ · (c − cлев) = (1 − Q) · (cпр − c)
Длинное плечо достается легкому грузу. Доля фазы равна противоположному плечу.
04 Где и зачем это применяют

По диаграмме выбирают сталь и режим нагрева

Допущения модели+

Показана равновесная диаграмма Fe–Fe3C: так сплав ведет себя при очень медленном нагреве и охлаждении. При быстром охлаждении линии сдвигаются, а при закалке получается мартенсит, которого на этой диаграмме нет. Линии нарисованы отрезками между справочными точками, верхняя часть с δ-ферритом упрощена, линия ликвидуса цементита условная. Легирующие элементы (марганец, хром) тоже сдвигают линии, и 65Г ведет себя чуть иначе, чем чистая углеродистая сталь. Серый чугун СЧ20 на самом деле содержит углерод в виде пластинок графита, а не цементита: опыт показывает белый чугун того же состава. Твердость после отжига оценена по правилу смеси и дана для сравнения.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →