Фазовая диаграмма железа и углерода: определение, фазы и применение

Фазовая диаграмма железа и углерода очень важна в материаловедении. Она показывает, как разные температуры и количество углерода изменяют фазы железа и его сплавов. Когда инженеры получают эту диаграмму, они могут сделать сталь еще лучше, что помогает во многих областях, например, в строительстве или управлении самолетами.

Рис. 1: Фазовая диаграмма Fe-C

Что такое фазовая диаграмма железо-углерод?

Эта диаграмма — это график, который помогает нам увидеть, как температура и уровень углерода работают вместе с железом и его сплавами. Это действительно полезно в металлургии, потому что это может предсказать, какой тип микроструктуры вы получите в стали или чугуне.

Какая фаза является самой твёрдой на диаграмме железо-углерод?

Мартенсит — самая прочная фаза на диаграмме состояния железа и углерода. Этот крепкий парень образуется, когда аустенит остывает очень быстро. Когда он остывает быстро, углерод не может покинуть структуру железа. Таким образом, вы получаете твердый раствор, который очень твердый и прочный.

Почему фазовая диаграмма железо-углерод достигает только 6.7% углерода?

Существует ограничение на количество углерода, которое может быть на диаграмме фаз железо-углерод — максимум 6.67%. Это потому, что на этом уровне вы создаете цементит (Fe₃C). Если углерода больше, материалы становятся хрупкими и не подходят для инженерных задач.

Фазы, границы фаз, эвтектическая точка

Фазы

Однородная и обособленная часть системы. Имеет свойства, отличные от свойств других частей системы.

Фазовые границы

Области, где происходит фазовое превращение, известны как границы фаз. Общие границы, которые мы должны упомянуть, это линия A1, линия A3 и линия ACM

Точка эвтектики

Эта точка находится на диаграмме Fe-C, которая означает превращение жидкой фазы в две твердые фазы. Это превращение происходит при 1147°C с 4.3% C.

Почему фазовые диаграммы так важны при проектировании сплавов

Эти диаграммы имеют большое значение в вашем повседневном применении и помогают вам определить точный состав, свойства и микроструктурные изменения, необходимые для вашего применения.

Кристаллические структуры в железе

Ниже приведены основные кристаллические структуры, обнаруженные на фазовой диаграмме Fe-C:

α-Феррит

В альфа-железе вы найдете ОЦК-структуру с максимальным содержанием углерода до 0.02%. Более того, если вам требуются хорошие магнитные свойства в вашем приложении, то эта фаза играет ключевую роль в этом аспекте.

γ-аустенит

На этом этапе вы увидите структуру FCC с максимальным содержанием углерода до 2.14%. Кроме того, если ваше применение требует изменения прочностных свойств, то этот этап важен для проведения нескольких процессов термообработки.

δ-Феррит

Эту фазу вы найдете при повышенной температуре, которая составляет около 1390°C и состоит из структуры BCC. Эта фаза будет полезна в приложениях, требующих стабильности при высоких температурах.

Цементит (Fe₃C)

Это самая твердая фаза в этой фазовой диаграмме с максимальным содержанием C до 6.67%. Кроме того, она принесет вам пользу в приложениях, где требуется высокопрочная сталь.

Жидкая фаза (раствор Fe-C)

Эта фаза помогает производителю выполнять процессы литья и протекает при повышенной температуре, примерно около 1530°C.

Каковы пять твердых фаз на диаграмме железо-углерод?

Ниже приведены пять фаз, которые вы найдете на этой фазовой диаграмме:

• феррит
• аустенитный
• карбид железа
• Дельта-феррит
• Перлит

Характеристики каждой фазы

В таблице ниже приведены важные характеристики каждой фазы:

Таблица 1: Фазовые характеристики

Температурные диапазоны и стабильность каждой фазы

Ниже приведены важные фазы с указанием их температурного диапазона и стабильности:

α-Феррит : Эта фаза существует от комнатной температуры до примерно 910 °C, и вы будете наблюдать ее стабильное состояние ниже 727 °C с низким содержанием углерода.

γ-Аустенит : Эта фаза существует в диапазоне температур от 727 до примерно 1147 °C, и вы будете наблюдать ее стабильное состояние выше 727 °C с высокой степенью кристалличности.

Цементит : Для этой фазы характерен температурный диапазон ниже 1147°C, она, безусловно, стабильна и имеет высокое содержание углерода в своем составе.

δ-Феррит : Образование этой фазы происходит в диапазоне температур 1390-1538 °C, и она отличается стабильностью при повышенных температурах.

Перлит : Вы заметите стабильность этой фазы в эвтектоидном составе. Кроме того, его образование происходит при температуре 723°C.

Основные реакции на фазовой диаграмме железо-углерод

Происходят следующие реакции, указанные ниже:

Эвтектоидная реакция

Ниже представлена ​​эвтектоидная реакция, которая означает превращение одной твердой фазы в еще две твердые фазы.

Эвтектическая реакция

Ниже представлена ​​эвтектическая реакция, которая означает превращение жидкой фазы в две дополнительные твердые фазы.

Перитектическая реакция

Вы увидите реакцию, описанную ниже, при повышенной температуре примерно 1498 °C , которая происходит в результате взаимодействия твердой и жидкой фаз, приводящего к образованию аустенита.

Границы фаз и критические точки

Ниже приводится краткое описание границы раздела фаз и важных критических точек:

Понимание эвтектических и эвтектоидных точек

Точка эвтектики:

• Встречается при 4.3% С и температуре 1147°С.
• Превращение жидкости в γ и Fe₃
• Важно в производстве чугуна.

Эвтектоидная точка :

• Встречается при 0.76% С и температуре 727°С.
• Превращение γ в α и Fe₃
• Дает перлит, отвечающий за сочетание прочности и вязкости.

Критические температуры в железоуглеродистых сплавах

Таблица 2: Критические температуры

Правило рычага и анализ состава на границах

Инструмент для математических расчетов, который позволяет рассчитать соотношение фаз (массовую долю) в определенном диапазоне температур, а также состав.

Фазовые поля и области устойчивости

Ниже представлен краткий анализ фазовых полей и области устойчивости:

Интерпретация областей стабильности для фаз α, γ и δ

Для α-феррита фаза существует от комнатной температуры до почти 910 °C, и вы будете наблюдать ее стабильное состояние ниже 727 °C с низким C. Более того, фаза γ-аустенита существует от 727 до почти 1147 °C, и вы будете наблюдать ее стабильное состояние выше 727 °C с высоким C. Наконец, вы обнаружите образование δ-фазы между 1390–1538 °C и ее стабильность при повышенных температурах.

Последствия для термообработки стали

Когда вы эффективно понимаете область стабильности, это принесет вам пользу для оптимизированной термообработки. Следовательно, это имеет решающее значение для контроля фазового превращения, развития микроструктуры и долговечности материала.

Классификация сталей по содержанию углерода

Основная классификация стали приведена ниже:

Доэвтектоидные и заэвтектоидные стали

Доэвтектоидная сталь обеспечивает вам хорошую пластичность вместе с прочностью в ваших приложениях, и в этой стали содержится менее 0.76% C. С другой стороны, гиперэвтектоидная сталь обеспечивает вам хорошую твердость, компенсируя пластичность, и содержит более 0.76% C.

Роль в термообработке и кастомизации сплавов

Эта фазовая диаграмма предлагает вам многочисленные сведения, особенно в области термической обработки и индивидуализации сплава.

Прогнозирование механических свойств посредством фазового анализа

Ключевые особенности, которые помогут вам прогнозировать механические свойства с помощью фазового анализа:

• Контроль микроструктурных изменений
• Хорошее понимание критических температур
• Настройка свойств сплава

Виды применения стали

Таблица 2: Типы стали и их применение

Tuofa China — эксперт в области точной обработки стали

Tuofa Technology предлагает вам услуги по обработке на станках с ЧПУ, которые не только обеспечивают точность и аккуратность, но и гарантируют превосходное качество вашего продукта. У них более 16 лет опыта, что еще раз подтверждает их компетентность в этой области от проектирования продукта до окончательной отправки.