Азот в стали. Влияние азота на свойства стали. Азот в стали в процессе ее производства, страница 4

Азот в стали. Влияние азота на свойства стали. Азот в стали в процессе ее производства , страница 4

и медленно охлажденное. Твердые растворы нитрида Fe₂N (a) Fe₄N (б).

На рисунок 7 представлена диаграмма состояния железо — азот, построенная по данным других исследователей. На ней α и γ обозначают твердые растворы азота в объемно- и в гранецентрированной решетках железа, а γ’-, ε- и ξ — нитриды, существующие в этом интервале концентраций. γ’-фаза существует в сравнительно узкой гомогенной области и отвечает содержанию азота примерно 6%.

Рисунок 7. Диаграмма состояния железо – азот.

Рентгеноструктурными исследованиями установлено, что этот нитрид имеет кубическую гранецентрированную решетку и в идеальном случае соответствует составу Fe₄N. ε-фаза охватывает широкую область концентраций. Она обладает гексагональной плотноупакованной решеткой. Структура ξ-фазы, которой подходит структурная формула Fe₂N — орторомбическая. В табл. 1 приведены сведения о периодах решетки и областях гомогенности отдельных фаз, изображенных на диаграмме состояния.

Внедрение атомов азота деформирует кристаллическую решетку α-железа, период его решетки при комнатной температуре увеличивается в среднем на (3,17 ± 0,28) • 10 — 3 А на каждую 0,1% растворенного азота. Поэтому при охлаждении пересыщенных растворов из них выделяются метастабильные фазы: γ’ -фаза (Fe₄N) в интервале 590 — 300°С и α"-фаза (Fe₁₆N₂) ниже 200°С (на диаграмме состояния она не показана). Последняя фаза образуется и при разложении нитроцементита в той же температурной области.

Таблица 1. Фазы в системе железо – азот

Возможные в этих системах метастабильные равновесия выражаются уравнениями:

(5) и (6)

Можно получить эти фазы и азотируя железо аммиаком при низких температурах (выше 200°С), так как химический потенциал азота в аммиаке выше, чем в молекуле N₂.

Нитрид Fe₄N (γ’-фаза) гомогенен в узком интервале концентраций азота (5,30 — 5,75%). Низший нитрид (α"-фаза) имеет тетрагональную объемноцентрированную решетку, расположение атомов железа в которой то же, что и в решетке α-железа. Поэтому, для образования зародышей α"-фазы требуется значительно меньшая энергия активации, чем для зародышей γ’ -фазы.

При разложении твердого раствора частицы α"-фазы располагаются в виде тонких пластин (дисков), видимых при увеличении 40000 и ориентированных по плоскости (100), параллельной соответствующей габитусной плоскости феррита. Ниже 300°С выделение γ’-фазы еще заторможено, т. е. равновесие реакции (6) метастабильно не только к газовой фазе, но и по отношению системы α-твердый раствор — γ’-фаза. С повышением температуры первоначальные образования α"-фазы превращаются в γ-фазу, и количество растворенного в железе азота изменяется по реакции (5). Согласно исследованиям, в холоднокатаном чистом железе частицы нитрида Fe₄N ориентированы близко к плоскости (012).

Из диаграммы состояния (см. рисунок 7) видно, что между богатым железом твердым раствором и γ’-фазой образуется эвтектоид, называемой браунитом (см. рисунок 6). Структура браунита редко выявляется так четко, как структура перлита, он скорее напоминает троостит.

Наиболее известным структурным признаком содержащего азот железа являются иглы нитридов, которые можно легко распознать в азотированном электролитическом железе (см. рисунок 5). Еще яснее они видны на рисунок 8. Эти иглы нитридов, образующиеся преимущественно внутри зерен, в основном состоят из γ’-фазы; из рисунок 9 видно, что азот проникает преимущественно по границам зерен. На этом рисунке ясно различаются скопления нитридов по границам зерен, в то время как внутри зерен наблюдаются только мелкораспределенные иглы этой фазы.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД – графическое построение в координатах состав (концентрация примеси или примесей) – температура. Для металлических сплавов наиболее широко применяется бинарная диаграмма железо-углерод, которая схематически изображена на рисунке. При большом количестве примесей диаграммы многомерны, например, при добавлении в сталь одного легирующего элемента соответствующая тройная диаграмма состояния является объемной.

Диаграмма состояния железо – углерод приведена на рисунке. Линии на диаграмме отделяют области существования различных жидких и твердых фаз. Диаграмма построена по данным экспериментальных исследований структуры железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов) после (или в процессе) медленного нагрева и охлаждения.

Читайте так же:

Распиловочный стол для ручной циркулярной пилы

Шкала концентрации углерода на диаграмме доведена только до 6,67% С, т.к. сплавы с большей концентрацией углерода не имеют практического применения.

На диаграмме есть области существования следующих фаз: жидкости (Ж), аустенита (А), цементита (Ц), феррита (Ф).

Жидкий раствор углерода в железе существует при температурах выше линии АВСD на диаграмме, химическое соединение Fe₃C (Ц) цементит соответствует правой области диаграммы и составу 6,67% С, в смеси с другими составляющими цементит может существовать на всем поле диаграммы состояния.

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в g -железе может содержать до 1,7%С и существовать при температурах выше 723° С.

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в a -железе может содержать не более 0,03%С.

Жидкие фазы (аустенит и феррит) при различных температурах могут содержать различное количество углерода.

Проводя на диаграмме вертикаль, соответствующую составу исследуемого сплава, можно определить как качественно, так и количественно фазовый состав сплава при различных температурах.

Превращения при нагреве и охлаждении сталей и чугунов в соответствии с диаграммой состояния можно разделить на безвариантные (нонвариантные), проходящие при постоянной температуре, и одновариантные (моновариантные), происходящие в некотором интервале температур.

К безвариантным превращениям относятся:

По линии HJB на диаграмме феррит и жидкость (расплав) переходят в аустенит (перитектическое превращение).

По линии ECF жидкость превращается жидкости в аустенит и цементит (эвтектическое превращение).

По линии PSK аустенит превращается в феррит и цементит (эвтектоидное превращение).

Безвариантные превращения соответствуют горизонтальным линиям на диаграмме состояния.

Пунктирные горизонтали соответствуют магнитным превращениям в феррите (точка Кюри 770° С, линия МО), когда феррит переходит из ферромагнитного в парамагнитное состояние, и соответствующему переходу в цементите.

Одновариантные превращения соответствуют областям на диаграмме состояния и разделяются на первичные превращения, в которых одна из фаз является жидкостью, и вторичные превращения в твердом состоянии.

Т.к. диаграмма состояния соответствует нагреву и охлаждению в равновесных условиях, на ней нет метастабильной фазы – мартенсита, возникающей при быстром охлаждении (закалке) от температур, выше температуры образования аустенита (723° С).

Выбор режима термической обработки сплавов при научных исследованиях и в технологических процессах основывается на диаграмме состояния железо-углерод.

1. Диаграмма железо—цементит

Диаграмма железо—цементит охватывает состояние железоуглеродистых сплавов, которые содержат до 6,67 % углерода.

Рис. 7. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (сплошные линии – система Fe—Fe ₃ C; штриховые – система Fe—C)

Углеродистые стали – это сплавы железа, содержащие до 2,14 % углерода. Стали, имеющие в своем составе до 0,8 % углерода, называются доэвтектоидными, 0,8 % углерода – эв—тектоидными, свыше 0,8 до 2,14 % – заэвтектоидными. Белые чугуны – это сплавы железа, содержащие от 2,14 до 6,67 % углерода.

При содержании от 2,14 до 4,3 % углерода белые чугуны называются доэвтектическими, при 4,3–6,67 % – заэвтекти—ческими. На диаграмме железо—цементит показано состояние этого сплава при первичной и вторичной кристаллизации. Эти процессы характеризуются кривыми АСВ и AECF.

Кривая АСВ – линия ликвидуса – отображает температуры, при которых начинается затвердевание железоуглеродистых сплавов. Кривая AECF – линия солидуса – соответствует температурам, при которых процесс кристаллизации заканчивается. Линия АЕ относится к сталям, а линия ACF – к белым чугунам. Точка А характеризует температуру плавления чистого железа – +1539 °C, а точка В – температуру плавления цементита – +1600 °C. Точка Е соответствует максимальному количеству углерода, которое может быть растворено в аустените при высоких температурах. Точка С указывает на состав эвтектики, она соответствует содержанию в сплаве 4,3 % углерода. Температура образования эвтектики – +1147 °C. Линия ECF называется эвтектической, так как в любой ее точке происходит образование эвтектики (ледебурита) На линии CF (заэвтектические чугуны) из жидкого сплава выделится тот компонент, который является избыточным по отношению к эвтектике, т. е. цементит. Так как цементит образуется при первичной кристаллизации, его называют первичным. На линии CF возникает эвтектика – ледебурит. Следовательно, в результате первичной кристаллизации за—эвтектические чугуны будут состоять из первичного цементита и ледебурита.

Читайте так же:

Электроды с тонким покрытием обозначаются буквой

Линия ECF (+1147 °C) называется эвтектической, так как на ней происходит образование механической смеси аустенита и цементита – ледебурита. Ледебурит имеет эвтектический состав, следовательно, его кристаллизация протекает при постоянной температуре +1147 °C. В результате первичной кристаллизации сталь получает структуру аустенита, характеризующуюся хорошей пластичностью и вязкостью. Поэтому такая сталь хорошо поддается обработке давлением при высоких температурах. Белые чугуны имеют в своем составе хрупкий и твердый ледебурит, который исключает возможность их обработки давлением даже при высоких температурах. Линия PSK на диаграмме характеризует температуру. при которой завершаются процессы вторичной кристаллизации. Для сталей, представленных на диаграмме, эта температура равна +727 °C. При температурах ниже +727 °C существенных превращений в сталях не наблюдается, структура, полученная при +727 °C, сохраняется при дальнейшем охлаждении сплава (вплоть до комнатной температуры). Линия PSK называется эвтектоидной. Точка S диаграммы соответствует составу эвтектоида – перлиту.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Материаловедение. Тема 1.3. Сплавы железа с углеродом

Двухфазной структурной составляющей сплавов системы «железо—цементит» является … .

Варианты ответов

перлит
феррит
цементит
аустенит

Вопрос 2

Кристаллизация чугуна, содержащего 2,5% углерода, протекает в интервале температур приблизительно ___________ °С.

Читайте так же:

Кто изобрел книгопечатание на руси

Варианты ответов

1559—1147
1250—727
1400—1147
1147—727

Вопрос 3

Интервал температур первичной кристаллизации сплавов системы «железо—цементит» определяется линиями … .

Варианты ответов

ликвидус и сольвус
ликвидус и солидус
солидус и сольвус
эвтектоидного и эвтектического превращения

Вопрос 4

После медленного охлаждения до комнатной температуры доэвтектоидная сталь имеет структуру, состоящую из … .

Варианты ответов

феррита и перлита
цементита и ледебурита
перлита и цементита
аустенита и цементита

Вопрос 5

Линия ES диаграммы «железо—цементит» — представляет собой линию … .

Варианты ответов

эвтектоидного превращения
ликвидус
солидус
растворимости углерода в аустените

Вопрос 6

Перлит представляет собой … .

Варианты ответов

эвтектическую смесь аустенита и цементита
эвтектоидную смесь феррита и цементита
пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе
твердый раствор углерода в γ-железе

Вопрос 7

Содержание углерода в ледебурите составляет _____ %.

Варианты ответов

4,3
2,14
0,8
6,67

Вопрос 8

При уменьшении растворимости углерода в железе с понижением температуры избыточный углерод выделяется из твердых растворов в виде … .

Варианты ответов

троостита
феррита
цементита
графита

Вопрос 9

Структуру, состоящую из перлита и вторичного цементита, в равновесном состоянии имеют ____________ стали.

Варианты ответов

безуглеродистые
эвтектоидные
доэвтектоидные
заэвтектоидные

Вопрос 10

Линия АHJECF диаграммы «железо—цементит» — это линия … .

Варианты ответов

ликвидус
сольвус
солидус
эвтектоидного превращения

Вопрос 11

Предельная растворимость углерода в аустените составляет _____ %.

Варианты ответов

0,8
4,3
0,02
2,14

Вопрос 12

Химическое соединение железа с углеродом называется … .

Варианты ответов

перлитом
аустенитом
ферритом
цементитом

Вопрос 13

Линия начала кристаллизации на диаграмме состояния «железо—цементит» называется линией … .

Варианты ответов

солидус
эвтектики
ликвидус
растворимости

Вопрос 14

Растворимость углерода в α-феррите (по массе) при 727°С составляет _____ %.

Варианты ответов

0,02
0,006
0,1
0,8

Вопрос 15

В результате эвтектического превращения в сплавах системы «железо—цементит» образуется … .

Варианты ответов

ледебурит
перлит
цементит
аустенит

Вопрос 16

При температуре 1499°С в системе «железо—цементит» происходит … .

Варианты ответов

эвтектическое превращение
перитектическое превращение
образование феррита
образование первичного цементита

Вопрос 17

Метастабильной фазой в сплавах системы «железо—цементит» является … .

Варианты ответов

цементит
перлит
феррит
ледебурит

Вопрос 18

Эвтектоид стали представляет собой смесь … .

Варианты ответов

железа и цементита
феррита и аустенита
аустенита и перлита
феррита и цементита

Вопрос 19

Диаграммы состояния двухкомпонентных систем строят в координатах … .

Варианты ответов

время—состав
скорость охлаждения—состав
температура—состав
температура—время

Вопрос 20

На диаграмме «железо—цементит» критическая точка А₃ соответствует линии … .

Варианты ответов

Вопрос 21

На диаграмме «железо—цементит» критическая точка А₁ соответствует линии … .

Варианты ответов

Вопрос 22

На диаграмме «железо—цементит» критическая точка А _cm соответствует линии … .

10 Диаграмма состояния железо-цементит

Железоуглеродистые сплавы — сложные системы, состоящие из 5-6 и более компонентов. Один из них попадает в сплавы в процессе металлургического передела (кремний, сера, фосфор, кислород, водород и др.) — примеси, другие специально вводятся в сплавы для изменения их свойств в нужном направлении (хром, никель, молибден, вольфрам и др.) — легирующие элементы.

Основными элементами, определяющими структуру и свойства, являются железо и углерод. Поэтому эти сложные сплавы рассматриваются как двойные — железо-углерод, а влияние примесей и легирующих элементов рассматривается самостоятельно в соответствующих разделах. На практике применяются сплавы, содержащие < 6% С.

Соединение Fe₃С (цементит) неустойчиво (метастабильно) и при соответствующих условиях (медленном охлаждении) возможна кристаллизация из жидкости свободного углерода в виде графита. Железоуглеродистые сплавы, содержащие < 6,67% С могут кристаллизоваться по двум типам диаграмм: метастабильной — Fe — Fe₃C, когда свободного углерода не образуется, и стабильной, Fe — С, когда возможно выделение свободного углерода из жидкости или в результате распада цементита. Эти диаграммы изображают на одном графике, линии метастабильной диаграммы сплошные, стабильной пунктирные.

Железо — переходный металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 1,27 А, электронная формула 1S2 2S2 2Р6 3S2 ЗР6 3D6 4S2. Чистое железо содержит 0.001% примесей, техническое железо (армко) — 0,1 % примесей. Температура плавления — 1539 С, кипения — 3200 С.

Читайте так же:

Каракат из бензопилы урал

Рекомендуемые файлы

В твердом состоянии в зависимости от температуры Fe иметь две полиморфные модификации альфа и гамма: Fe – α существует при температурах ниже 910 о С и выше 1392 С о . В интервале 1392-1539 С о Fe — α часто обозначают как Fe – γ.

Кристаллическая решетка Fe — α объемноцентрированный куб с периодом решетки 2,8606 А.

До 768 о С (точка Кюри) она ферромагнитна, при более высоких температурах — паромагнитна.

Кристаллическая решетка Fe- γ — гранецентрированный куб с периодом решетки 3,645 А. Плотность более высокая — 8,0 — 8,1 г/см З . Это значит, что при полиморфном превращении альфа —> гамма происходит сжатие, объемный эффект — 1% .

Полиморфное превращение связано с различием в изменении величины свободной энергии решетки ОЦК И ГЦК с температурой.

Температуры превращения в твердом состоянии называются критическими точками и обозначается буквой А с соответствующими индексами. Ас и Аг не совпадают вследствие теплового гистерезиса (все превращения происходят при некотором нагреве или переохлаждении).

Свойства технического железа при 20 0 С: НВ 80; 220-250 МПа.

Углерод. В природе встречается в двух аллотропических формах — алмаз и графит, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см З , атомная масса 12, , атомный радиус 0,77 А, температура плавления 3500 0 С. Углерод полиморфен. При атмосферном давлении устойчивая модификация графит. Решетка графита гексагональная, структура слоистая. Слабые связи между параллельными слоями атомов и очень прочные (ковалентные) — между атомами внутри слоя.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения карбида железа- цементита, а в высокоуглеродистых сплавах в виде графита.

В системе железо-углерод различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы внедрения — феррит и аустенит, химические соединения — цементит и графит.

Феррит(Ф) — твердый раствор внедрения углерода (и других примесей) в железе, решетка, ОЦК. Различают альфа-феррит с максимальной растворимостью углерода 0,025% (при 727 0 С) и минимальной растворимостью 0,006% (при 20 0 С), и высокотемпературный — феррит с предельной растворимостью углерода 0,1% (при 1499 0 С).

Атомы углерода располагаются в решетке феррита в центре грани куба, где имеется максимальная пора. Механические свойства альфа -феррита близки к свойствам армко-железа,. До 768 0 С ферромагнитен.

Аустенит (А)— твердый раствор внедрения углерода (и других примесей) в гамма-железе решетка ГЦК. Предельная растворимость — 2,14 (при 1147° С). Атомы углерода в решетке гамма — железа располагаются в центре элементарной ячейки, где может поместиться сфера радиусом 0,41 атомного радиуса железа,т.е. близкая к атомному радиусу углерода и в дефектных областях кристалла. Аустенит обладает высокой пластичностью и сравнительно низкой прочностью.

Цементит (Ц) — карбид железа, имеет сложную орторомбическую решетку. Температура плавления из-за его метастабильности при высоких температурах точно не установлена (1250-1550 0 С). До 221 0 С (А) ферромагнитен.

Цементит имеет очень высокую твердость ( > НВ 800) и практически нулевую пластичность. Он может образовывать твердые растворы замещения и внедрения с другими элементами. При замещении атомов железа атомами других металлов образуется легированный цементит (Fe, W, Сг) . Графит — о его строениях свойствах рассказано выше.

Рис. 6.1. Диаграмма Fe-Fe₃C

Ось абсцисс двойная: показано содержание углерода и цементита. Уменьшение содержания углерода на 15% дает содержание цементита в любом сплаве в % по массе. Все сплавы в данной системе можно разбить на две группы: сплавы, содержащие до 2,14% называются сталями, сплавы, содержащие > 2,14% С — чугунами.

Точки А и Д соответствуют температурам плавления железа и цементита. Точки N (1392 0 С) и (910 0 С) соответствуют полиморфному превращению, в чистом железе.

Линия АВСД — линия ликвидус. Участок АВ показывает температуру начала кристаллизации из жидкого сплава — феррита, ВС — температуру кристаллизации аустенита, СД — температуру кристаллизации первичного цементита (П1).

Читайте так же:

Что называется модулем юнга напряжением относительным удлинением

Линия AHJBECF -линия солидус. Ниже участка АН сплав затвердел и существует только феррит; HJB — линия перетектического превращения (равновесия).

Линия ECF (солидус) — линия эвтектического превращения (равновесия) соответствует кристаллизации из жидкости эвтектики, состоящей из кристаллов А и Ц — ледебурита (Л)

В ледебурите всегда 4,3% углерода, и он образуется при постоянной температуре (1147 0 С). Превращение происходит во всех сплавах, содержащих 2,14 и < 6,67% С (чугунов).

Линии NH и NJ линии первого (высокотемпературного) полиморфного превращения в сплавах. В отличие от чистого железа полиморфные превращения в сплавах происходят в интервале температур.

Линия ES — линия ограниченной растворимости углерода в аустените. Ниже этой линии А пересыщен углеродом и из него выделяется высокоуглеродистая фаза — Ц (цифра II указывает, что Ц выделился из А).

Линия PSK — линия эвтектоидного превращения (равновесия). Это превращение протекает у всех сплавов, при этом аустенит состава S распадается на смесь двух фаз: феррита состава Р и цементита

Распад происходит при постоянной температуре (727 0 С ) и в образующемся эвтектоиде — перлите (П), всегда содержится 0,8% углерода.

Линии GS и GP — линии второго полиморфного превращения . Ниже линии GP полиморфное превращение заканчивается и структура сплава ферритная (А Ф).

Линия PQ — линия ограниченной растворимости углерода в феррите. Ниже этой линии феррит пересыщен углеродом и из него выделяется И (цифра III указывает, что Ц выделился из феррита).

На всех горизонтальных линиях в равновесии находятся три фазы, система нонвариатна, т.е. С=0.

Перитектическое превращение наблюдается у сплавов, содержащих от 0,1 до 0,5% С, эвтектическое — от 2,14 до 6,67 С и эвтектоидное — у всех сплавов, содержащих > 0,025 С.

Сплавы, содержащие < 0,8 называются доэвтектоидными, > 0,8%С — заэвтектоидными и 0,8%С эвтектоидными сталями. В зависимости от концентрации углерода сплавы, содержащие < 0,3%С называются низкоуглеродистыми, с 0,3 — 0,6%С —среднеуглеродистым, с > 0,7%С — высокоуглеродистыми сталями.

Кристаллизация стали. Все превращения начинаются в жидкости при некотором переохлаждении, т.е. при температурах ниже равновесной, лежащей на соответствующей линии диаграммы.

Перекристаллизация стали (превращения в твердом состоянии). Основа этих превращений — полиморфное превращение ГЦК — ОЦК и изменение растворимости углерода в аустените и феррите при изменении температуры.

Влияние компонентов и примесей на свойства стали

Сталь — многокомпонентный сплав. Избавиться от примесей затруднительно и дорого. Любая сталь состоит из 2-х фаз — Ф и Ц. Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Частицы Ц служат препятствием движению дислокации, а следовательно повышают прочность, твердость и уменьшают пластичность. Повышение содержания углерода повышает температуру порога хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости примерно на 20 0 С). При содержании в стали более 1 — 1,1% С возникает хрупкость в отожженном состоянии.

Кремний и марганец попадают в сталь при раскислении, содержание Si = 0,35 — 0,4 %, Mn = 0,5 — 0,8%. Кремний снижает способность стали к вытяжке, холодной высадке. Поэтому стали, предназначенные для холодной штамповке надо брать с пониженным кремнием.

Сера образует FeS, который в свою очередь образует с железом легкоплавкую эвтектику (Т = 988 0 С). Располагаясь по границам зерен, она плавится при температурах ковки и штамповки вследствие чего возникает красноломкость. Марганец нейтрализует серу (MnS). Сернистые включения понижают механические свойства. Содержание серы не должно превышать 0,05 — 0,06%.

Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кр. решетку (раствор внедрения), резко снижает пластические и вязкие свойства. Каждый 0,01% фосфора повышают порог хладноломкости на 20 — 25 0 С. Склонен к ликвации.

Азот, водород, кислород. Образуют хрупкие неметаллические включения (оксиды, нитриды) по границам зерен, в результате возрастает хрупкость. Водород охрупчивает сталь.

голоса

Рейтинг статьи

Азот в стали. Влияние азота на свойства стали. Азот в стали в процессе ее производства, страница 4