Foreversoft.ru

IT Справочник
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое полиморфизм железа

Полиморфизм металлов

Полиморфизм это такое явление, когда материал в одном интервале температур или давлений имеет одну кристаллическую структуру, а в других интервалах – другую. Иными словами с изменением температуры или давления наблюдается изменение кристаллической структуры материала. Температуру и давление, при которых происходит смена кристаллической структуры материала, называют соответственно температурой и давлением полиморфного или аллотропического превращения.

Различные кристаллографические модификации одного материала принято обозначать буквами греческого алфавита α, β, g, δ, ε, σ и т.д. Модификацию, наблюдаемую при самых низких температурах, обозначают буквой α, при более высоких температурах – β, и т.д.

Ярким примером полиморфизма у неметаллических материалов является наличие двух кристаллографических модификаций чистого углерода, известных как алмаз и графит. Оба материала являются идентичными по химическому составу и отличаются лишь кристаллической структурой. В результате свойства алмаза и графита оказываются существенно различными. Графит это мягкий, хрупкий и непрозрачный материал, в то время как алмаз является одним из наиболее твёрдых минералов, встречающихся в природе, и, как правило, прозрачен.

Полиморфизм достаточно распространённое явление в мире металлов. Многие из металлов обладают полиморфизмом. Например, у Со с повышением температуры ГПУ-структура перестраивается в ГЦК-структуру, а у Ti ГПУ-структура перестраивается в ОЦК-структуру.

Наиболее ярко полиморфизм проявляется у железа, которое при нагреве два раза меняет свою кристаллическую структуру (рис. 11).

ОЦК ГЦК ОЦК жидкость

α-Fe β-Fe γ-Fe δ-Fe

768 911 1392 1539 Т, °С.

Рис. 11. Кристаллографические модификации железа.

При температурах ниже 768°С железо является ферромагнитным материалом, а при температурах выше 768°С – парамагнитным. Ранее считали, что изменение магнитных свойств железа связано с изменением его кристаллической структуры и поэтому ферромагнитное железо стали обозначать α-Fe, а парамагнитное – β-Fe. Позже выяснилось, что это не так. И то и другое железо имеют одинаковую ОЦК-структуру. Однако исторически сложившееся подразделение железа на α-Fe и β-Fe сохранили. В настоящее время железо с ОЦК-структурой, наблюдаемое в интервале температур до 911 ° С, называют α-железом.

В интервале температур от 911 до 1392 °С железо имеет ГЦК-структуру. Такое железо обозначают γ-Fe. ГЦК-структура отличается от ОЦК-структуры более высокой плотностью упаковки атомов. Поэтому при нагреве железа до температур выше 911°С наблюдается уменьшение размера (объёма) образца.

В интервале температур от 1392 до 1539°С железо вновь имеет ОЦК-структуру. Однако период кристаллической решётки этого железа чуть больше чем у α-железа. Такое железо обозначают δ-Fe.

При температурах выше 1539°С чистое железо плавиться и превращается в жидкий расплав.

Другим ярким примером полиморфизма металлов является полиморфизм олова. При температурах ниже -30°С белое и пластичное β-олово (β –Sn) превращается в свою α-модификацию, т.е. в α-Sn, которое является серым порошком. Не имея никакого представления о природе данного явления, его, в своё время, назвали «оловянной чумой».

Явление полиморфизма в очередной раз подчёркивает, что свойства материалов определяются не только их химическим составом, но и в значительной степени их структурой.

3. ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ

И СПЛАВОВ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое состояниеназывают кристаллизацией. Обратный процесс называют плавлением. Рассмотрим подробно процесс кристаллизации металлов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9478 — | 7515 — или читать все.

Полиморфизм железа

Дата добавления: 2015-07-09 ; просмотров: 7095 ; Нарушение авторских прав

Полиморфизм. Некоторые металлы в зависимости от темпера­туры могут существовать в различных кристаллических формах. Это явление называется полиморфизм или аллотропия, а различные кри­сталлические формы одного вещества называются полиморфными модификациями. Процесс перехода от одной кристаллической фор­мы к другой называется полиморфным превращением. Полиморфные превращения протекают при определенной температуре.

Полиморфные модификации обозначают строчными гречески­ми буквами α, β, γ, δ и т. д., причем α соответствует модификации, существующей при наиболее низкой температуре. Полиморфизм ха­рактерен для железа, олова, кобальта, марганца, титана и некоторых других металлов.

Читать еще:  Как узнать свое железо на пк

Важное значение имеет полиморфизм железа. На рис. 5 изобра­жена кривая охлаждения железа.

Полиморфные превращения ха­рактеризуются горизонтальными участками на кривой охлаждения, так как при них происходит полная перекристаллизация металла. До 911°С устойчиво Feα, имеющее кубическую объемноцептрированную решетку. В интервале 911…1392 °С существует Feγ с кубической гранецентрированной кристаллической решеткой.

При 1392…1539 °С вновь устойчиво Feα. Часто высокотемпературную модификацию Feα обо­значают Feδ. Остановка на кривой охлаждения при 768 °С связана не с полиморфным превращением, а с изменением магнитных свойств. До 768 °С железо магнитно, а выше — немагнитно.

Дефекты кристаллического строения. Реальный металлический кристалл всегда имеет дефекты кристаллического строения. Они подразделяются на точечные, линейные и поверхностные (рис. 6).

Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. К точечным дефектам относятся вакансии, представляющие собой узлы кристал­лической решетки в которых отсутствуют атомы (рис. 6, а), а также замещенные атомы примеси (рис. 6, б) и внедренные атомы (рис. 6, в) которые могут быть как примесными, так и атомами основно­го металла.

Точечные дефекты вызывают местные искажения кри­сталлической решетки, которые затухают достаточно быстро по мере удаления от дефекта.

Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Эти дефекты называют дислока­циями. Краевая дислокация (рис. 7) представляет собой искажение кристаллической решетки, вызванное наличием «лишней» атомной полуплоскости.

Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. К ним относятся, например, границы между отдельными зернами или группами зерен.

Полиморфизм и свойства железа.

Содержание железа в земной коре составляет около 4,5%. Это четвертый по распространенности в природе элемент. Ниже температуры 911°C железо существует в низкотемпературной модификации a-Fe, которая имеет объёмно центрированную кубическую элементарную ячейку (ОЦК), с параметром, а = 0.2862 нм. Важной особенностью a-Fe является его ферромагнетизм, проявляющий себя при температурах ниже 768°С, называемой точкой Кюри. В интервале температур от 911°C до 1392 °C железо существует в модификации g-Fe, имеющей гранецентрированную элементарную ячейку (ГЦК) с параметром, а = 0,364 нм. Выше температуры 1392°C железо снова существует в модификации a-Fe. Температура плавления железа составляет 1539 °С.

Размеры пространства, которое может быть занято сторонними атомами, в ОЦК структуре a-Fe составляет около 0,06 нм, в ГЦК структуре g-Fe около 0,1 нм. Различие в размерах структурных вакансий влияет на величину растворимости углерода в a- и g — железе. Диаметр атома углерода равен 0,154 нм. Растворимость углерода в a — железе в основном обусловлена размещением атомов углерода в дефектах кристаллической решетки, так как диаметр структурных вакансий в ОЦК структуре меньше, чем диаметр атома углерода. Величина растворимости углерода в низкотемпературном феррите достигает 0,02% при 727°C, а в высокотемпературном — 0,1% при 1499°С.

а)

б)

Рис. 2.1 Температурная зависимость параметра элементарных ячеек α-, γ— и δ — модификаций железа (слева). Виды элементарных ячеек аллотропных модификаций железа и температуры их фазовых превращений (справа).

В g-Fe атомы углерода с обобществленными электронами размещаются в структурных вакансиях ГЦК решетки. Растворимость углерода достигает 2.14 масс % при 1147 °С.

Плотность железа составляет 7680 кг/м 3 . Предел прочности при растяжении технически чистого железа, содержащего около 0,1% примесей, равен 200 – 250 МПа, относительное удлинение 50 – 60%, твердость 70 – 80 НВ. Повышение степени очистки приводит к снижению прочности и твердости железа. Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 масс % C называют техническим железом.

2.2. Диаграмма состояния системы Fe – Fe3C.

В системе железо-углерод существуют следующие фазы: жидкий расплав, твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение Fe3C (цементит), свободный углерод в виде графита. К структурным составляющим системы Fe – Fe3C относят фазово-зёренные образования перлит и ледебурит, представляющие собой механические смеси сосуществующих фаз.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в a-Fe , имеющем объемно гранецентрированную кристаллическую структуру. На диаграмме Fe – Fe3C обозначается буквой Ф. Твёрдый раствор, как и α-Fe имеет ОЦК структуру, что определяет малую протяжённость области гомогенности. Низкотемпературный a — феррит содержит до 0,02 масс % углерода, высокотемпературный a — феррит до 0,1 масс % углерода. Техническое железо имеет структуру феррита, который вытравливается на шлифах в виде однородных зерен. Феррит высокопластичен и мягок (80 – 120 НВ), хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.

Читать еще:  Оперативно технологическая связь на железнодорожном транспорте

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в g- Fe (гранецентрированная кубическая структура) с максимальным содержанием углерода 2,14%, при 1147 о C. Условия, ограничивающие область существования аустенита на диаграмме состояния системы Fe -Fe3C. На диаграмме обозначается буквой A. Аустенит существует в температурном интервале от 727 °C до 1490 °C. Микроструктура сплава представлена однородными зернами. Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит (160 – 200 НВ). Заметные размеры структурных вакансий около 0,1нм определяют заметную растворимость в аустените различных химических элементов.

Цементит – химическое соединение Fe3C, содержит 6,67 масс % углерода. Самая твердая (800 НВ) и хрупкая составляющая сплавов железа с углеродом. Имеет сложную ромбическую, плотноупакованную структуру. Температура плавления равна 1250°C. До температуры 210 °C цементит магнитен. При высоких температурах разлагается на графит и аустенит. Образует твердые растворы замещения, в которых углерод замещается неметаллами (кислородом, азотом), а железо металлами (марганцем, хромом, вольфрамом и т. д.). Сплавы на основе цементита в чистом виде не используют. Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше твердость последнего.

Графит – аллотропическая модификация углерода со слоистой гексагональной структурой и слабой связью между слоями. Графит мягок, прочность его очень низкая. Температура плавления около 3800 °C, плотность 2500 кг/ м 3 . Химически стоек и имеет электропроводность, как у металлов.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 масс % углерода и образующаяся в процессе медленного охлаждения при перекристаллизации (распаде) аустенита, ниже температуры 727 о С. Образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при t = 723 °C на феррит и цементит. Такой распад называется эвтектоидным, а перлит — эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочностью (ав = 800 МПа), твердостью 200 НВ и повышает механические свойства сплава. Зёренная структура перлита образована чередующимися пластинками феррита и цементита.

Рис. 2.2. Диаграмма состояния системы Fe – Fe3C. На верхней оси абсцисс отложены массовые % углерода; на нижней оси абсцисс отложены мольные % Fe3C.

Ледебурит – механическая смесь кристаллов аустенита и цементита, образуется при кристаллизации сплава с 4,3 масс % углерода при t = 1147°C, (эвтектика между фазами аустенита и цементита). Ледебурит является эвтектикой, образованной между аустенитом и цементитом. При температурах ниже 727 °C аустенит в ледебурите превращается в перлит, и после охлаждения до комнатной температуры ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит тверд (700 НВ). Имеет сотовое или пластинчатое строение и содержится во всех белых чугунах.

Диаграмма состояния Fe-Fe3C (рис. 2.2) характеризует фазовый состав и превращения в системе железо – цементит (6,67 % С). На оси абсцисс, которая является осью составов, представлено две шкалы показывающие содержание углерода и цементита. Часть диаграммы, имеющая практическое значение, расположена в диапазоне концентраций углерода до 6,67 %, что соответствует химическому соединению Fe3C (цементит Ц). Координаты характерных точек диаграммы приведены в табл. 2.1. Точка A определяет температуру плавления чистого железа, а точка D- температуру плавления (разложения) цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки H и P характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка E определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут обсуждены позже.

Превращения в сплавах системы Fe – Fe3C происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF).

Характерные точки диаграммы состояния железо-цементит

Обозначение точки на диаграммеТемпература в о СКонцентрация углерода в %Обозначение точки на диаграммеТемпература в о СКонцентрация углерода в %
А1539C11474.3
Н14990.1F11476.69
J14990.16G911
B14990.51P7270.02
N1392S7270.8
D15606.67K7276.69
E11472.14
Читать еще:  Резорцин с хлоридом железа 3

Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите. При понижении температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFKL). Цементит, выделяющийся из жидкости, называют первичным; цементит, выделяющийся из аустенита — вторичным; цементит, выделяющийся из феррита — третичным. Соответственно линию DC на диаграмме состояния называют линией первичного цементита, ES- линией вторичного цементита; PQ-линией третичного цементита. В системе железо – цементит происходят три изотермических превращения.

Перитектическое превращение на линии HJB (1499 °С)

Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °С)

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С)

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (В честь немецкого ученого А. Ледебура), а эвтектоидная смесь феррита и цементита — перлитом.

Еще раз отметим, что эвтектоид — перлит (содержит 0,8 %С) и эвтектику — ледебурит (4,3 %С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при температуре 20 – 25°C ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой находятся колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две основные группы: стали, содержащие до 2,14% C и чугуны, содержащие свыше 2,14% C (табл.2.2).

Дата добавления: 2019-02-22 ; просмотров: 280 ;

Железо и его свойства. Полиморфизм железа

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ

Цель работы: Ознакомление со свойствами железа и явлением полиморфизма; изучение фаз на диаграмме состояния железо-цементит и микроструктур доэвтектоидных, заэвтектоидных и эвтектоидной стали.

Задачи:Определение микроструктуры сплавов железа с углеродом, с различным содержанием углерода и при различных температурах.

Железо – металл серебристого цвета с температурой плавления 1539 °С. До 910 °С железо имеет кристаллическую решетку объемно-центриро­ван­ную кубическую (ОЦК) с периодом решетки 2,86 Å. До 727°С решетка носит наименование -железо, от 727 до 911 °С – -железо. В интервале температур от 911 до 1392 °С железо имеет решетку гранецентрированную кубическую (ГЦК) и называется -железо. Выше 1392 °С до плавления железо снова имеет решетку -железа, то есть ОЦК, и нередко его обозначают как -железо.

Свойство металла при повышении температуры приобретать разные кристаллические решетки, а, следовательно, и разные физико-механические свойства, называется аллотропией или полиморфизмом.

Форма существования решетки называется модификацией – ; переход от одной модификации к другой – аллотропическим или полиморфным превращением.

До температуры 768 °С — железо ферримагнитно, а выше парамагнитно. При 768 °С идет магнитное превращение, то есть переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное, эта температура называется точкой Кюри и обозначается как критическая точка А2. На кривой охлаждения это превращение идет при постоянной температуре. На рис. 5.1 (левая часть рисунка) показана кривая охлаждения для чистого железа. Представлены также различные модификации железа.

t2
t1
o
n
m
m
n

Рис. 5.1. Кривая охлаждения чистого железа и диаграмма состояния ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ (Fe3C)

Свойство железа. Железо мягкое и пластичное; предел прочности на растяжение 250…300 МПа, условный предел текучести 120…150 МПа; относительное удлинение 50%. Чем чище железо от примесей, тем прочность и твердость ниже, а пластичность выше, и наоборот.

Дата добавления: 2014-12-26 ; Просмотров: 2216 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector