Что называется модификацией альфа железо бета гамма

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Альфа-железо

Железо с такой кристаллической решеткой называется а-железом ( альфа-железом ), или ферритом. [16]

Железо имеет несколько кристаллических модификаций, в том числе низкотемпературную альфа-железо с объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой и высокотемпературную гамма-железо с гранецентриро-ванной кубической решеткой. Гамма-железо в сплаве с углеродом называют аустенитом. Как следует из приведенного выше перечня, последняя модификация имеет большее затухание. [17]

Как видно из диаграммы рекристаллизации ( рис. 14), конечный размер аустенитного зерна перед превращением гамма-железа в альфа-железо зависит в основном от степени обжатия в клетях чистовой группы, температуры конца прокатки и скорости прокатки. [22]

При 1401 б-желе-зо переходит в модификацию у ( гамма-железо), которая сохраняется до температуры 910, а затем переходит в модификацию а ( альфа-железо ), которая остается устойчивой при всех температурах ниже этой точки. [24]

Феррито-цементитное превращение аустенита состоит, как мы уже достаточно подробно выяснили, из двух одновременно протекающих процессов: 1) перестройки решетки гамма-железа в решетку альфа-железа ; 2) выделения большей части атомов углерода из решетки гамма-железа и обособления их в самостоятельную цемен-титную фазу. [25]

Такое превращение осуществляется при быстром охлаждении аустенита до т-ры, когда диффу зионные процессы невозможны; происходит лишь переход кубической гранецентрированной решетки аустенита в кубическую объемноцентри-рованную решетку альфа-железа ( мартенсита) без выделения углерода. Области т-р, в которых происходят превращения, подразделяют соответственно на перлитную, промежуточного превращения и мартен-ситную. Чаще всего эти превращения происходят при различных т-рах, иногда же они могут протекать одновременно, придавая диаграмме иной внешний вид. Так, в углеродистых и некоторых легированных сталях интервалы т-р диффузионного и промежуточного превращений практически совпадают, вследствие чего выше мар-тенситной точки наблюдается один кинетический максимум. Поскольку в доэвтектоидной или заэвтектоидной стали до начала образования ферри-токарбидной смеси может выделяться избыточный феррит или карбид, на диаграмме появляется дополнительная линия, характеризующая начало этого процесса. Диаграмма тер мо кинетическая. [26]

Альфа-железо имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку, оно магнитно. [30]

Источник

Что называется модификацией альфа железо бета гамма

Ярким примером аллотропии является железо, образующее в зависимости от температуры четыре основных аллотропических видоизменения, которые называют: α-Fе, β-Fe, γ-Fe, δ-Fe.

Фото кристаллических решеток железа

Кристаллические решетки подразделяют на молекулярные, атомные, ионные и металлические.

Ha этой кривой при переходах одной аллотропической формы в другую наблюдаются площадки постоянных температур, а именно:
при t=1535°— затвердевание железа с образованием δ-Fe;

фото кристаллических решеток железа

Рис. 2 Кривая охлаждения железа

Кроме твердых растворов углерода в железе, в железоуглеродистых сплавах встречается химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe3C, который называется цементитом. Цементит содержит С — 6,67 %.
Аустенит и феррит отличаются пластичностью, феррит, кроме того, — мягкостью. Цементит чрезвычайно тверд и хрупок.

Что такое перлит и эвтектоид

В точке S кривая GS пересекается с ES — кривой предельной растворимости углерода в аустените. Поэтому дальнейшее насыщение остаточного аустенита углеродом становится уже невозможным, и последующее охлаждение вызывает окончательный распад аустенита, который совершается при постоянной температуре t=723°.

При этом распаде завершается переход γ- Fe->α-Fe, а выделившийся из кристаллической решетки железа углерод образует частицы цементита F₃C. Распад аустенита происходит в стесненном объеме в пределах каждого зерна, поэтому продукты распада (феррит и цементит) образуются в виде тесно перемешанных частиц, обычно в виде чередующихся пластинок феррита и цементита.

Схема изменений структуры сталей при переходе через критические точки

Этот продукт распада аустенита называется перлитом; так как перлит имеет строение, подобное эвтектике, то он называется эвтектоидом. Разница между эвтектикой и эвтектоидом заключается в том, что эвтектика образуется из жидкого раствора, а эвтектоид — из твердого.

Образование перлита начинается и заканчивается при постоянной t=723°. Так ппявляется феррито-перлитовая структура сталей, которая при дальнейшем охлаждении от t=723° не претерпевает больше никаких структурных изменений. На рисунке представлены микроструктуры чистого железа и стали при С =0,15% и при С=0,6% (увеличение 100) после травления по-шрованной поверхности микрошлифа 4% раствором HNO₃ в этиловом спирте.

Рис. 1. — феррит в чистом железе. Рис. 2 Доэвтектоидная сталь с содержанием С=0,15%

На рис. 1, где показана микроструктура чистого железа, четко выявились границы между светлыми зернами феррита. На рис. 2 представлена микроструктура строительной стали (С=0,15%); светлые поля — это феррит, темные участки — перлит.
На рис. 3 приведена микроструктура машиностроительной стали (С=0,6%), из которой изготовляют оси, валы, шатуны и т. п.; большая часть шлифа занята перлитом, а феррит наблюдается только в виде тонкой сетки.
Чем больше углерода, тем больше в структуре стали перлита, состав перлита одинаков (С=0,83%). Строение перлита обычно пластинчатое (рис. 4).

Рис. 3 Доэвтектоидная сталь с содержанием С=0,6%. Рис. 4 Эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит).

Феррит, как было указано выше, представляет собой наиболее мягкую пластичную составляющую железоуглеродистых сплавов; цементит, входящий в состав перлита, наиболее твердую и хрупкую, поэтому с увеличением содержания углерода увеличивается прочность и твердость стали, но пластичность и вязкость уменьшаются

Чтобы строительная сталь была достаточно пластичной, количество перлита в ней не должно превосходить 25%, что соответствует содержанию углерода до 0,2%.

В. тех деталях, от которых требуется большая прочность и твердость, но допустимы меньшая пластичность и вязкость (детали машин), применяются стали с большим количеством перлита, с содержанием С до 0,6%. В строительном деле такие стали применяются, например, для изготовления лопат, опорных частей мостовых ферм.

Возникновение цементно-перлитовой структуры

В сплавах, содержащих больше 0,83% углерода, структурные изменения при переходе через линии АС и А1Е протекают так же. Поэтому ниже линии А1Е структура затвердевшего сплава представляет собой аустенит. При дальнейшем охлаждении структурные изменения наступают тогда, когда достигнута SE —линия предельной растворимости углерода в аустените.

Так как при снижении температуры ниже линии SE растворимость углерода в аустените снижается, то из аустенита выделяется вторичный цементит, который выпадает обычном в виде сетки, окружающей аустенитовые зерна. Благодаря этому содержание углерода в аустените уменьшается и при t=723° доходит до С=0,83%, что соответствует эвтектоидному составу. Дальнейшее охлаждение вызывает распад аустенита, который постоянной температуре t=723° переходит в перлит. Таким образом возникает цементно-перлитовая структура, которая при дальнейшем охлаждении уже не претерпевает изменений.

На рис. 1 цементит заметен в виде тонкой светлой сети окаймляющей темные зерна перлита, а на рис. 2 в виде темпе сетки. Стали с цементито-перлитовой структурой вследствие слишком малых пластичности и вязкости неприменимы для изготовления строительных конструкций и деталей машин. Из них делают инструменты, которым термической обработкой придают необходимую высокую твердость.

Рис.1 Заэвтектоидная сталь (после травления 4% раствором HNO3 в этиловом спирте. Рис.2 Заэвтектоидная сталь ( после травления пикратом натрия)

Несколько иначе протекают структурные изменения в сплавах при содержании С>1,7%. Например, из жидкого сплава с содержанием С в пределах 1,7—4,3%, превышающим предельную растворимость углерода в аустените (С=1,7%), по достижении температур линии АС начинают выделяться дендриты аустенита.

Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнута температура линии ЕС. Концентрация углерода в выпадающих дендритах аустенита постепенно изменяется по линии А1Е. Концентрация углерода в жидком растворе увеличивается по линии АС и при t=1130° достигает С=4,3%, т. е. эвтектической концентрации. Дальнейшее охлаждение вызывает полный переход жидкого раствора, достигшего эвтектической концентрации, в твердое состояние.

Этот переход происходит при постоянной температуре t= 1130°; в результате образуется эвтектика, представляюшая собой смесь частиц аустенита и цементита—ледебурит. Таким образом, рассматриваемый сплав непосредственно после затвердевания будет состоять из аустенита и ледебурита. Дальнейшее охлаждение ниже t=1130° вызывает (вследствие уменьшения растворимости углерода по линии ES) выделение вторичного цементита из дендритов аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита.

Выделение вторичного цементита наблюдается при падении температуры в интервале 1130—723°, причем при снижении температуры до t=723° концентрация углерода в остаточном аустените снижается до эвтектоидной концентрации, т. е. до С=0,83%. Дальнейшее охлаждение вызывает окончательный распад остаточного аустенита.

Этот распад происходит при постоянной температуре t=723°, причем весь аустенит (и выпавший в виде дендритов и входящий в состав ледебурита) переходит в перлит. Таким образом, ниже t=723° в структуре рассматриваемого сплава (рис. 3) содержится перлит, вторичный цеменит и видоизмененный ледебурит, состоящий из цеменита (основная масса) и перлита (округлые вкрапления).

Обычно и первоначальный ледебурит и видоизмененный объединяют общим названием ледебурит. Дальнейшее охлаждение не вызывает изменений в структуре сплава.

Источник

Превращения, происходящие в железе и стали при нагреве и охлаждении

Строение стали

Внимательно всмотревшись в излом металла, ясно можно увидеть, что он представляет собой нагромождение (совокупность) отдельных кристаллов (зерен), крепко сцепленных между собой. Мельчайшей частицей металла, как и всякого другого вещества, является атом. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы железа, атомы расположены в определенном порядке. Это расположение изменяется в зависимости от температуры нагрева. При любой температуре ниже 910° атомы в ячейках кристаллов располагаются в виде куба, образуя так называемую кристаллическую решетку альфа-железа. В этом кубе восемь атомов расположены в углах решетки и один в центре.

При нагреве свыше 910° происходит перегруппировка атомов и кристаллическая решетка представляет собою форму куба с четырнадцатью атомами; условно ее называют решеткой гамма-железа. При температуре 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решетку с девятью атомами, носящую название дельта-железо. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами атомов и сохраняется до момента расплавления железа, т. е. до 1535° (Рис. 1).

Перестройка кристаллической решетки при медленном охлаждении происходит в обратном порядке: дельта-железо при 1390° превращается в гамма-железо, а гамма-железо при 898° превращается в альфа-железо.

Рис. 1. Строение кристаллической решетки: а — альфа и дельта железа; б — гамма железа.

Критические точки превращения

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как видно из этих кривых, в процессе перестройки одной решетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении дополнительного количества тепла при нагревании.

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа.

Температурные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются А_rпри охлаждении и А_с при нагревании. В точках А_r2и А_с2,не происходит перестройка атомной решетки, а изменяются магнитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические точки А _с3и А_r3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит также перестройка атомной решетки, но температуры критических точек не постоянны. Они зависят от содержания углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

На рис. 3 представлена диаграмма состояния углеродистой стали при медленном охлаждении и нагревании.

Рис.3. Диаграмма состояния углеродистых сталей.

Структура стали

Структурой стали называется внутреннее ее строение. Углерод в стали находится в виде химического соединения с железом, и это соединение называется — цементит. Кроме цементита, в стали имеется феррит, представляющий собой почти чистое железо. В зависимости от содержания углерода большая или меньшая часть феррита находится в механической смеси с цементитом, образуя новую структуру — перлит. Если небольшой кусок металла прошлифовать, отполировать и протравить в специальном реактиве, то под микроскопом можно различить структуры. Ниже приводится описание структур железоуглеродистых сплавов.

Аустенит представляет собою твердый раствор углерода и других элементов в гамма-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в ау-стените — это 2%. Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.

В обычных сталях аустенит устойчив только лишь при температуре выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры. При комнатной температуре аустенит полностью сохраняется в ряде марок нержавеющих сталей, в высокомарганцовистой стали и в незначительном количестве остается при закалке некоторых марок инструментальной и конструкционной сталей.

Аустенит мягок, пластичен, тягуч, мало упруг. Твердость его по Бринелю находится в пределах 170—220.

Аустенит немагнитен, обладает невысокой электропроводностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода и других элементов в альфа-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в феррите, это 0,04%. Феррит устойчив при температурах ниже критической точки A_C1. Он выделяется из аустенита при медленном охлаждении последнего ниже A_6i. Феррит мягок, сильно тягуч. Твердость HB= 60—100. Феррит магнитен до 768°. Свыше этой температуры он теряет магнитные свойства.

Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом Fe₃C—карбид железа. Цементит содержит углерода 6,67%. Выделяется из жидкого и твердого раствора при медленном охлаждении. Цементит весьма тверд и хрупок. Твердость его НB= 800—820. Он магнитен до 210°. Выше этой температуры цементит теряет магнитные свойства.

Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при медленном его охлаждении. Температура превращения аустенита в перлит 723°С. При весьма медленном переходе через эту температуру цементит образуется в виде зерен (глобулей), и тогда перлит называется зернистым. При более быстром охлаждении цементит приобретает форму пластинок, и такой перлит называется пластинчатым. При весьма быстром охлаждении в результате значительного переохлаждения аустенита вместо перлита получаются другие структуры, о которых речь будет ниже.

Перлит магнитен, прочен и пластичен. Твердость его находится в пределах от 160 до 230 кг/мм 2 по Бринелю. При обработке резанием наиболее чистую поверхность дает структура зернистого перлита.

Мартенсит образуется в результате весьма быстрого охлаждения (закалки) аустенита. При быстром охлаждении успевает произойти перестройка кристаллической решетки гамма-железа в решетку альфа-железа, выделение же углерода в карбид железа не успевает произойти, и он весь остается растворенным в решетке альфа-железа. Так как нормально альфа-железо может растворить в себе не более 0,04% углерода, то такой раствор называют пересыщенным. Он отличается весьма большой твердостью (свыше R_c= 60) и хрупкостью. Следует указать, что решетка альфа-железа, получающаяся в результате закалки, имеет искаженную форму. Так, размеры ее граней не одинаковы — в одном направлении они удлинены за счет других (см. рис. 4). Такая решетка называется тетрагональной. Чем больше в стали углерода, тем больше тетрагональность решетки и тем более велики внутренние напряжения. При нагревании до температур 100—200° тетрагональность мартенсита уменьшается, форма кристаллической его решетки приближается к форме правильного куба, и вместе с этим уменьшаются внутренние напряжения. Мартенсит магнитен.

Рис. 4. Строение кристаллической решетки стали, закаленной на мартенсит.

Троостит представляет собой высокодисперсную (мелкораздробленную) смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с замедленной против закалки скоростью или в результате нагрева (отпуска) мартенсита в пределах 250—400°.

При нагреве закаленной стали происходит постепенное выделение углерода из кристаллической решетки с образованием карбидов. Троостит менее прочен, более пластичен, чем мартенсит. Твердость его НB330—400. При охлаждении аустенита в горячих средах в интервале 250—400° (изотермическое превращение аустенита) происходит образование игольчатого троостита, несколько более прочного, чем обычный троостит.

Сорбит представляет собой дисперсную смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с небольшой скоростью или при нагреве (отпуске) мартенсита до 400—650°. Карбиды сорбита более крупные, чем троостита. Сорбит пластичен, вязок и магнитен. Твердость НВ 270—320.

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он содержит углерода 4 3% Образуется ледебурит при затвердевании жидкого сплава с содержанием углерода свыше 2%. Ледебурит хрупок.

На рис. 5. представлены фотоснимки структур стали с различным содержанием углерода.

Структура стали с содержанием углерода 0,83% состоит из сплошного перлита и называется эвтектоидной; при меньшем содержании углерода структура стали состоит из перлита и феррита и носит название доэвтектоидной, а при большем содержании углерода — из перлита и цементита и называется заэвтектоидной. Температура 723°, при которой перлит переходит в аустенит, также называется критической и обозначается Ас.

Для того чтобы доэвтектоидную и эвтектоидную сталь полностью отжечь, нормализовать или закалить, их нужно нагреть до такой температуры, при которой они перешли бы в аустенитное состояние.

Рис. 5. Микроструктура отожженной углеродистой стали:

Превращения, происходящие в стали при нагревании

По диаграмме на рис. 3 можно проследить за изменениями структуры трех разных марок стали при нагревании:

Линия на диаграмме, обозначенная буквами GS, соответствует окончанию растворения феррита в аустените в доэвтектоидных сталях, а линия SE соответствует окончанию растворения цементита в аустените в заэвтектоидных сталях.

Следует указать, что заэвтектоидные стали при операциях термической обработки не нагревают выше линии А_cт(такая высокая температура нагрева приведет к перегреву и ухудшению свойств стали), а ограничиваются нагревом выше первой критической точки A_Cl, что полностью обеспечивает получение необходимых свойств.

Превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении

В сталях, нагретых до аустенитного состояния, при весьма медленном охлаждении произойдут обратные превращения, а именно:

а) в стали с содержанием углерода 0,83% аустенит превратится в перлит;

б) в стали с содержанием углерода 0,4% сначала из аустенита начнет выделяться феррит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит и

в) в стали с содержанием углерода 1,2% сначала из аустенита выделится цементит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит.

Даже при весьма медленном охлаждении температура распада аустенита не совпадает с теми температурами, при которых аустенит образовался при нагревании. Чем скорость охлаждения больше, тем больше становится гистерезис, т. е. разница между критическими температурами (точками) при нагревании и охлаждении.

Превращения, происходящие в стали при быстром охлаждении

Рис. 6. Микроструктура закаленной стали:

а — игольчатый мартенсит;

В легированных сталях, благодаря присутствию специальных элементов, для образования мартенсита не требуется столь большой скорости охлаждения, как для углеродистых сталей, и мартенсит образуется при охлаждении в масле, а для быстрорежущих сталей — и при охлаждении на воздухе.

Троостит и сорбит можно получить не только в результате ускоренного охлаждения, нои путем нагрева закаленной стали, имеющей структуру мартенсита, до температуры ниже A_с1, т. е. путем отпуска стали. В этом случае троостит получается при нагреве стали до 400°, а сорбит—при нагреве до 650°. При нагреве до промежуточных температур получаются смешанные структуры: при нагреве от 250—400° — мартенсит и троостит и при нагреве от 400—650° — троостит и сорбит. В производственных условиях троостит и сорбит получают путем отпуска закаленной стали.

Превращения, происходящие в стали при охлаждении в среде, имеющей температуру выше 200° (изотермическое превращение)

Если деталь, нагретую выше критической точки, поместить в среду, имеющую температуру от 700 до примерно 200°, и выдержать в ней до выравнивания температуры по всему сечению, то аустенит превратится в ту структуру, которая соответствует превращению при данной температуре.

О поведении стали при изотермической обработке, выборе температуры и времени выдержки судят по кривым изотермического превращения, построенным для разных марок стали.

Рис. 7. Диаграмма изотермического превращения аустенита углеродистой стали.

На рис. 7 дан вид диаграммы изотермического превращения в стали. На горизонтальной оси отложено время начала и конца превращения, а на вертикальной— температура, при которой оно происходит. Линия А _с соответствует переходу аустенита в перлит, а линия М_н — образованию мартенсита из аустенита. На кривой I начинаются, а на кривой II заканчиваются структурные превращения.

Если углеродистую инструментальную сталь, нагретую до 800°, поместить в масло, расплавленную соль или щелочь при температуре 250°, в ней образуется игольчатый троостит с высокой твердостью R_c=45—55. Если эту же сталь охладить в среде, имеющей температуру свыше 600°, в ней образуется перлит и такая сталь легко обрабатывается на станках. При охлаждении стали в среде с промежуточными температурами образуются структуры троостита и сорбита с соответствующей твердостью.

Изотермический отжиг нашел большое применение при термической обработке инструментальных сталей как процесс, резко уменьшающий время по сравнению с другими видами отжига.

Изотермическая закалка в инструментальном деле применяется редко из-за недостаточной для инструмента твердости, достигаемой при этом процессе.

Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.
Каменичный И.С. Практика термической обработки инструмента. Киев, 1959 г.

Источник