El acero al carbono y el hierro fundido son los materiales metálicos más utilizados. Son aleaciones de hierro y carbono. El acero al carbono y el hierro fundido de diferentes composiciones tienen diferentes estructuras y propiedades. La investigación y el uso de materiales de acero, la formulación de sus procesos de procesamiento térmico y tratamiento térmico, y el análisis de las causas de los residuos del proceso requieren diagramas de fases hierro-carbono. En las aleaciones hierro-carbono, el carbono constituyente puede presentarse en dos formas según las diferentes condiciones de cristalización: carburo de hierro 3C (cementita) y grafito. La cementita es termodinámicamente una fase metaestable, mientras que el grafito es una fase estable. Generalmente, las aleaciones de hierro-carbono se transforman según el sistema Fe-Fe 3C. El diagrama de fases hierro-carbono que analizamos en este capítulo es en realidad el diagrama de fases Fe-Fe 3C.
4-1 Composición de la aleación hierro-carbono
Primero, hierro puro
El punto de fusión del hierro puro es 1538°C y su curva de enfriamiento es se muestra en la Figura 7.1.
Temperatura (°C)
Tiempo
Figura 7.1 Curva de enfriamiento y cambios en la estructura cristalina del hierro puro
El hierro puro cristaliza en líquido Después de la solidificación, el tipo reticular sufre dos transiciones cuando se enfría a 1394°C y 912°C. La transformación de tipo reticular de metales en estado sólido se llama transformación alotrópica. La transformación isomérica va acompañada de efectos térmicos, por lo que la curva de enfriamiento del hierro puro tiene mesetas a 1394°C y 912°C. La transformación alotrópica del hierro es la siguiente:
(Cúbica centrada en el cuerpo) δ? Fe? γ?Fe? α? Cúbico centrado en las caras (cúbico centrado en el cuerpo) 1394OC 912O C
El hierro con una temperatura inferior a 912°C tiene una red cúbica centrada en el cuerpo, llamada hierro α-Fe con una temperatura de; 912~1394°C es La red cúbica centrada en las caras se llama γ-Fe; el hierro con una temperatura de 1394~1538°C tiene una red cúbica centrada en el cuerpo, llamada δ-Fe.
Las propiedades mecánicas del hierro puro industrial se caracterizan por una baja resistencia y dureza, y una buena plasticidad. Sus propiedades mecánicas son aproximadamente las siguientes:
Resistencia a la tracción σb 18×107 ~ 28×. 107n/m2
Límite elástico σ0,2 10×107 ~ 17×107n/m2
Alargamiento δ 30~50
Contracción del área ψ 70~80
p>
Valor de impacto 160~200J/cm2
Dureza Brinnell HB 50~80
Segunda solución sólida de carbono en hierro
Carbono El radio atómico es pequeño y tanto α-Fe como γ-Fe pueden entrar en los espacios entre los átomos de Fe para formar soluciones sólidas intersticiales.
La solución sólida intersticial formada por carbono en α-Fe se llama ferrita, normalmente representada con el símbolo F o α. Su solubilidad máxima es 0,0218 wtC, que se produce a 727 °C. La mayor parte del carbono existe en las vacantes octaédricas de la estructura α cúbica centrada en el cuerpo. La ferrita y el α-Fe son ferromagnéticos por debajo del punto de Curie de 770°C.
La solución sólida intersticial formada por carbono en γ-Fe se denomina austenita, normalmente representada con el símbolo A o γ. Su solubilidad máxima es 2,11 wtC, que se produce a 1148 ℃. La mayor parte del carbono existe en los intersticios octaédricos de la estructura gamma cúbica centrada en las caras. La austenita y el γ-Fe son paramagnéticos.
Tres. Compuestos de hierro y carbono
Cuando el contenido de carbono en la aleación de hierro y carbono excede su límite de solubilidad en hierro, el exceso de carbono existe principalmente en forma de carburo 3C.
El hierro 3C, también llamado cementita, es un compuesto intersticial complejo con un contenido de carbono de 6,69wt, alta dureza y plasticidad casi nula.
4-2 Análisis del diagrama de fases Fe-Fe3C
El diagrama de fases Hierro-Fe3C se muestra en la Figura 7.2.
Figura 7.2 Diagrama de fases Fe-Fe3C
ABCD es la línea de líquido y AHJECF es la línea de sólido. Todo el diagrama de fases se compone principalmente de tres transiciones isotérmicas: peritectica, * * * cristalina y * * * análisis:
La transición peritectica ocurre en la línea horizontal HJB (1495°C);
L B δH →γJ
El producto de transformación es γ. Esta transformación sólo ocurre en aleaciones hierro-carbono con un contenido de carbono de 0,09~0,53.
(2) * *La transformación cristalina ocurre en la línea horizontal ECF (1148 ℃):
L C → γE Fe 3C
Los productos de transformación son γ y Fe 3C Las mezclas mecánicas, llamadas ledeburitas, se representan con los símbolos Ld o Le. Todas las aleaciones de hierro y carbono con un contenido de carbono de 2,11 a 6,69 sufren esta transformación.
(3) La transformación analítica ocurre en la línea horizontal PSK (727°C):
γ→αP Fe 3C
El producto de cambio de fase es el mezcla mecánica de α y Fe 3C La mezcla, denominada perlita, está representada por el símbolo p. Esta transformación de fase se produce en todas las aleaciones hierro-carbono con un contenido de carbono superior a 0,0218. * * * La temperatura de transición de la precipitación a menudo se denomina temperatura 1.
Además, hay tres líneas de transición de estado sólido importantes en el diagrama de fases hierro-hierro 3C:
(1) Línea GS: la línea de transformación donde α o α se disuelve en γ está en γ El inicio de la precipitación generalmente se denomina temperatura A3.
(2) Línea ES: línea de solubilidad del carbono en γ. Esta temperatura a menudo se denomina temperatura Acm. Por debajo de esta temperatura, el Fe 3C precipitará en γ, denominado cementita secundaria Fe 3C II, que es diferente de la cementita primaria Fe 3C I que cristaliza en el líquido a través del alambre CD.
(3) Línea PQ: línea de solubilidad del carbono en α. Cuando α se enfría desde 727°C, también precipitará Fe 3C, llamado cementita terciaria Fe 3Cⅲ.
La Tabla 7.1 también enumera la temperatura y el contenido de carbono de cada punto característico en el diagrama de fases y su significado.
Tabla 7.1 Diagrama de fases Fe-Fe3C temperatura, contenido de carbono y su significado símbolos temperatura (℃) contenido de carbono (wt)
El punto de fusión del hierro puro es 0 significa Q 600
p>¿Cuál es la composición de la aleación líquida durante la transformación peritéctica 0,53 a temperatura ambiente? →γE Fe 3C 4.30 ***punto cristalino L C? 6.69 El punto de fusión del Fe3C 2.11 La máxima solubilidad del carbono en γ-Fe 6.69 La composición del Fe3C 0? Punto de transición alotrópica Fe-Fe (a3) 0,09 ¿Cuál es la máxima solubilidad del carbono en δ-Fe? →γJ punto peritectico L B δH? ¿Cuál es la composición del hierro 3C 0 γ? Fe? Punto de transición alotrópico δ?Fe (A 4) ¿Cuál es la solubilidad máxima del carbono en α-Fe? →αP Fe 3C ***Punto de análisis (A 1)γ? 0,0057±0,0008 Solubilidad del carbono en α-Fe a 600 °C (o temperatura ambiente)
Solidificación en equilibrio de 4-3 aleaciones típicas de hierro y carbono
Por lo general, acero al carbono y fundición el hierro se distingue según exista * * * transformación cristalina, es decir, el acero al carbono con un contenido de carbono inferior a 2,11 es mayor que.
2.11 es hierro fundido, que cristaliza según el sistema Fe-Fe 3C y se denomina hierro fundido blanco.
Según las características microestructurales y haciendo referencia al diagrama de fases hierro-hierro 3C (Figura 7.3), las aleaciones hierro-carbono se pueden dividir en siete tipos según el contenido de carbono:
Figura 7.3 Hierro-carbono típico La posición de la aleación en el diagrama de fases hierro-hierro 3C
(1) Hierro puro industrial
(2) ***Acero eutectoide 0,77 c
(3 ) Acero hipoeutectoide 0,0218 ~ 0,77 C
④ Acero hipereutectoide 0,77 ~ 2,11 C
(5) ***Hierro fundido blanco eutectoide 4,30 C.
(6) Hierro subdúctil 2,11 ~ 4,30 C.
(7) Hierro fundido blanco hipereutéctico 4,30 ~ 6,69 C.
A continuación se analiza el proceso de transformación y la estructura a temperatura ambiente de cada aleación durante la solidificación en equilibrio.
1. Hierro puro industrial
La figura 7.4 muestra la curva de enfriamiento y el proceso de solidificación en equilibrio del hierro puro industrial.
Figura 7.4
Curva de enfriamiento y diagrama esquemático del proceso de solidificación en equilibrio del hierro puro industrial
La solución de aleación cristaliza en una solución sólida δ en el rango de temperatura de 1 a 2. Cuando se enfría a las 3 en punto, comienza a ocurrir la transición isomorfa δ→γ de la solución sólida.
Esta transformación finaliza a las 4 horas y la aleación se encuentra en fase monofásica γ. Después de enfriarse entre las 5 y las 6 en punto, se produce otra transformación isomorfa γ → α, y por debajo de las 6 en punto es α. Cuando se enfría a las 7 en punto, la solubilidad del carbono en α alcanza la saturación. Cuando es inferior a las 7 en punto, la tercera cementita Fe_3C_III precipitará de α. Por lo tanto, la estructura a temperatura ambiente del hierro puro industrial es α Fe3Cⅲ, como se muestra en la Figura 7.5.
Figura 7.5 Estructura de equilibrio a temperatura ambiente del hierro puro industrial 250×
Segundo, * * *análisis del acero
La Figura 7.6 muestra el enfriamiento del * * *acero precipitación Diagrama esquemático de la curva y proceso de solidificación en equilibrio.
La solución de aleación cristaliza en una solución sólida γ en el rango de temperatura de 1 a 2, se solidifica a 2 y la aleación es una γ monofásica. Cuando se enfría a las 3 en punto (727 ℃), la * * * transformación de precipitación se lleva a cabo a temperatura constante;
γ→αP Fe 3C
El producto de transformación es perlita, es decir, P, que es α y Fe. Una mezcla fina de 3C en forma de escamas, como se muestra en la figura 7.7. El hierro 3C en fósforo se llama * * * cementita. Por lo tanto, la estructura a temperatura ambiente del acero * * * es P, como se muestra en la Figura 7.7. Las cantidades relativas de α y Fe 3C en P se pueden obtener a partir de la ley de la palanca:
α()=6.69?0.77×100≈88
6.69
Fe 3C ( )=1?88=12
Figura 7.6
* * *Diagrama esquemático de la curva de enfriamiento y proceso de solidificación en equilibrio de la precipitación del acero.
3. Análisis del sub-acero
La Figura 7.8 es un diagrama esquemático de la curva de enfriamiento y el proceso de solidificación en equilibrio del sub-acero.
Figura 7.8 Curva de enfriamiento y diagrama esquemático del proceso de solidificación en equilibrio del sub-*acero.
La solución de aleación cristaliza en una solución sólida δ dentro del rango de temperatura de 1 a 2. Cuando se enfría a las 2 en punto (1495°C), el contenido de carbono de la solución sólida δ es 0,09 y el contenido de carbono de la fase líquida es 0,53. En este momento, se produce una transformación peritéctica entre la fase líquida y la fase δ:
L B δH →γJ
Debido a que el contenido de carbono de la aleación en la Figura 7.8 es mayor que 0,17, todavía hay exceso de fase líquida. Entre 2' y 3', γ continúa cristalizando en la fase líquida y la composición de todas las soluciones sólidas de γ cambia a lo largo de la línea JE. Cuando se enfría a las 3 en punto, la aleación se compone enteramente de γ. Cuando se enfría a las 4 en punto, α comienza a precipitarse de γ, el contenido de carbono de α cambia a lo largo de la línea GP y el contenido de carbono del γ restante cambia a lo largo de la línea GS. Cuando se enfría a las 5 en punto (727°C), el contenido de carbono del γ restante alcanza 0,77, y la precipitación y transformación a temperatura constante forman perlita. A 5 pies
Pero debido al pequeño número, generalmente se puede ignorar.
Por debajo de este punto precipitará la tercera cementita Fe_3C_III en la ferrita.
Por lo tanto, la estructura a temperatura ambiente del subacero es P α, como se muestra en la Figura 7.9. Se puede ver en las figuras (a), (b) y (c) que cuanto mayor es el contenido de carbono del subacero, mayor es el contenido de P en la estructura a temperatura ambiente.
(a)0.20 C 410 ×(b)0.45 C 400 ×(C)0.60 C 300×
Figura 7.9 Estructura de equilibrio a temperatura ambiente de acero sub-**.
Cuarto, analice el acero a través de **.
La Figura 7.10 es un diagrama esquemático de la curva de enfriamiento y el proceso de solidificación en equilibrio del acero **.
Figura 7.10 Curva de enfriamiento y diagrama esquemático del proceso de solidificación en equilibrio del acero final
La solución de aleación cristaliza en una solución sólida γ en el rango de temperatura de 1 a 2, se solidifica a 2, y la aleación es monofásica γ. Después de enfriar hasta las 3 en punto, la cementita secundaria Fe_3C_II precipitará desde γ hasta las 4 en punto. Este tipo de análisis previo
Cuando la cantidad es grande, todavía tendrá forma de aguja en el cristal. La temperatura desciende a 4:00 (la mayor parte del 727Fe 3C se distribuye en una red a lo largo del límite del grano γ,
c), el contenido de carbono del γ restante alcanza 0,77 y la temperatura constante de precipitación y transformación de perlita.
Entonces, la estructura a temperatura ambiente del * * * acero después de la precipitación es P Fe3C II, como se muestra en la Figura 7.11.
Figura 7.11 * * *La estructura de equilibrio del acero a temperatura ambiente es 500×.
* * *Cuanto mayor sea el contenido de carbono del acero después de la precipitación, mayor será el contenido de Fe_3C_II en la estructura a temperatura ambiente.
5. * * * Hierro Fundido Blanco Cristal
La Figura 7.12 muestra la curva de enfriamiento y el proceso de solidificación en equilibrio de * * Hierro Fundido Blanco Cristal.
Figura 7.12
* * *Diagrama esquemático de la curva de enfriamiento y proceso de solidificación en equilibrio del hierro fundido blanco cristalizado
Figura 7.13 * *100×equilibrio a temperatura ambiente estructura del hierro fundido blanco cristalizado
Cuando la solución de aleación se enfría a 1 (1148 °C), * *la transformación cristalina se produce a temperatura constante
L C →γ
;E Fe 3C
El producto de transformación de fase es una mezcla mecánica de γ y Fe 3C, concretamente ledeburita Ld, y γ se distribuye sobre la matriz de Fe 3C en forma de varillas cortas. Cuando la temperatura es inferior a 1, la cementita secundaria Fe_3cii precipita continuamente en el * * * cristal γ y generalmente está unida al * * * cristal Fe_3c, haciéndolo indistinguible. Cuando la temperatura desciende a 2:00 (727 °C), el contenido de carbono del **cristal γ alcanza 0,77 y **se transforma a temperatura constante para formar perlita. La microestructura final consta de P distribuido sobre * * Fe3C cristalino, como se muestra en la Figura 7.13. Esta estructura a temperatura ambiente conserva las características morfológicas de la Ld, producto de la transformación cristalina a alta temperatura, pero la fase componente γ ha cambiado, por lo que se denomina ledeburita metamórfica, representada por el símbolo Ld'.
Por lo tanto, la estructura a temperatura ambiente del * * *hierro fundido blanco cristalino es Ld’, como se muestra en la Figura 7.13.
6. Fundición blanca sub** cristalina
La Figura 7.14 es un diagrama esquemático de la curva de enfriamiento y el proceso de solidificación en equilibrio de la fundición blanca sub** cristalina.
Figura 7.14 Curva de enfriamiento y proceso de solidificación en equilibrio de fundición blanca subcristalina.
En el rango de temperatura de 1 a 2, la solución sólida γ cristaliza a partir de la solución de aleación. En este momento, la composición de la fase líquida cambia a lo largo de la línea BC, mientras que la composición de la solución sólida γ cambia a lo largo de la línea JE. Cuando se enfría a 2:00 (1148 ℃), la composición de la fase líquida restante alcanza la * * * composición en forma cristalina, y * * * la transformación en forma cristalina ocurre a temperatura constante para formar Ld. Por debajo de 2 puntos, cristal primario γ y * * cristal γ
Con la precipitación de Fe_3C_II, la composición de la solución sólida γ disminuye gradualmente a lo largo de la línea es. Todos precipitaron cementita secundaria Fe_3C_II.
Cuando la temperatura desciende a las 3:00 (727 ℃), todo γ se transforma en perlita a través de * * * precipitación.
Por lo tanto, la estructura a temperatura ambiente del hierro fundido blanco subcristalino es Ld’ P Fe3C II, como se muestra en la Figura 7.15.
Figura 7.15 Estructura de equilibrio a temperatura ambiente de fundición blanca cristalina Ya**100
×
7.
La Figura 7.16 es un diagrama esquemático de la curva de enfriamiento y el proceso de solidificación en equilibrio del hierro fundido blanco cristalino.
Figura 7.16 * * * Curva de enfriamiento y diagrama esquemático del proceso de solidificación en equilibrio de fundición blanca cristalina.
Cuando el hierro fundido blanco que contiene cristales ** se solidifica en equilibrio, la fase cristalina primaria es Fe 3C, y otras transformaciones son las mismas que las de las aleaciones de cristales **. Pasa
* * *La estructura a temperatura ambiente del hierro fundido blanco cristalizado es Ld’Fe3C I. Como se muestra en la Figura 7.15, el cristal primario Fe3C I tiene forma de placa.
Figura 7.17 Estructura en equilibrio a temperatura ambiente de hierro fundido blanco con * * * cristal 100×
4-4 Efecto del contenido de carbono en la estructura y propiedades de la aleación Fe-C
En términos generales, la composición de la aleación de hierro y carbono determina su estructura, y la estructura (incluida la cantidad, la forma y la distribución) determina el rendimiento de la aleación de hierro y carbono.
1. El efecto del contenido de carbono en la estructura de equilibrio a temperatura ambiente de la aleación Fe-C
Según el análisis del proceso de cristalización en la sección anterior y los resultados del cálculo utilizando el ley de palanca, se puede concluir que el hierro La relación entre la composición y la microestructura de la aleación de carbono se muestra en la Figura 7.18.
Figura 7.18 La relación entre la composición, la composición de fases y la composición de la microestructura de la aleación de hierro-carbono.
Se puede ver en la Figura 7.18 que a medida que aumenta el contenido de carbono, la estructura a temperatura ambiente de la aleación Los cambios son los siguientes:
Cuando aumenta el contenido de carbono, no solo aumenta la cantidad de Fe 3C en la microestructura, sino que también cambia la forma de existencia del Fe 3C, pasando de estar distribuido en el α matriz (como P) para distribuirse en el límite de grano γ (Fe 3C II). Finalmente, cuando se forma Ld, ha aparecido Fe3C como matriz. Se puede observar que las estructuras de las aleaciones hierro-carbono con diferentes contenidos de carbono son diferentes, por lo que tienen diferentes propiedades.
2. La influencia del contenido de carbono en las propiedades mecánicas de las aleaciones hierro-carbono.
Del análisis anterior se puede observar que la estructura de equilibrio a temperatura ambiente de la aleación Fe-C está compuesto por fases α y Fe 3C. Entre ellas, α es una fase blanda y dura, y Fe 3C es una fase dura y quebradiza. Sus propiedades mecánicas son aproximadamente las siguientes:
α:
Resistencia a la tracción σb 100~240MN/m2 Límite elástico σ0.2 100~180MN/m2 Alargamiento δ 30~50 área Contracción ψ 70~80 Dureza Brinell HB 50~80.
Fenantreno 3C:
Dureza Brimnell HB 800 Alargamiento δ 0
Por tanto, el hierro 3C es una etapa de fortalecimiento. Si la matriz de la aleación es α, si la cantidad de 3C es mayor y se distribuye más uniformemente, la resistencia del material será mayor. Sin embargo, cuando la fase dura y quebradiza de Fe3C se distribuye en los límites de los granos, especialmente cuando se usa como matriz, la plasticidad y tenacidad del material se reducirán considerablemente. Esta es la razón por la que el acero con alto contenido de carbono y el hierro blanco son muy frágiles.
La figura 7.19 muestra el efecto del contenido de carbono sobre las propiedades mecánicas del acero al carbono.
Figura 7.19 La relación entre las propiedades mecánicas del acero al carbono y el contenido de carbono
Como se puede observar en la Figura 7.19, el hierro puro con bajo contenido de carbono está compuesto de α monofásico. , entonces sus propiedades son propiedades α, es decir, buena plasticidad, baja dureza y resistencia.
La microestructura del acero sub-* está compuesta de diferentes cantidades de α y P. A medida que aumenta el contenido de carbono, la cantidad de P en la microestructura aumenta en consecuencia y la dureza y resistencia del acero aumentan linealmente. , mientras que los índices de plasticidad (δ, ψ, valor de impacto) disminuyen en consecuencia.
* * *La estructura de enfriamiento lento del acero está compuesta de P escamoso... Dado que el Fe 3C es una fase de fortalecimiento, se dispersa en la matriz α blanda y resistente en forma de finas escamas y juegos. un papel fortalecedor, lo que hace que el P tenga mayor resistencia y dureza, pero poca plasticidad.
* * *La microestructura tras el lento enfriamiento de la precipitación está compuesta por P y Fe_3C_II. A medida que aumenta el contenido de carbono, aumenta gradualmente la cantidad de hierro 3C II.
Cuando el contenido de carbono no supera 1,0, el Fe_3C_II precipitado en los límites de los granos generalmente no está conectado a una red, por lo que tiene poco impacto en el rendimiento. Cuando el contenido de carbono es superior a 1,0, debido al aumento en la cantidad de fe3c I y su distribución continua en la red, el acero se vuelve quebradizo, tiene baja plasticidad y reduce la resistencia.
Valor de impacto