2014 dxdy logo

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки




Начать новую тему Ответить на тему
 
 Вопрос про диаграмму состояния системы железо-углерод
Сообщение11.06.2018, 22:04 


20/03/12
169
СПб
Разглядываю диаграмму состояния системы железо-углерод (картинка из википедии, в большем масштабе по ссылке)
Изображение

По вертикальной оси отложена температура, по горизонтальной массовая концентрация углерода.

Правый край диаграммы это чистый цементит, $\mathrm{Fe_3C}$. Считаю для него массовую концентрацию углерода. $12/(3\cdot 56+12)\approx 0.0667$ --- сходится. Правый край таблицы заканчивается как раз на 6.67%

Про аустенит, обозначенный буквой $\gamma$, в той же википедии читаю: Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки. В гранецентированной решётке на каждую элементарную ячейку получается по четыре атома железа. Если в центр каждой элементарной ячейки поместить по одному атому углерода, то массовая концентрация углерода была бы $12/(4\cdot 56+12)\approx 0.0508$. Смотрим на диаграмму. Точка E соответствует концентрации углерода 2.06%, а вовсе не 5.08% как можно было бы ожидать.

Не очень понятно, почему так рано заканчивается ромбик $\gamma$-фазы. Есть для этого какое-то простое объяснение?

Первое, что в голову приходит, что из атомов углерода должна получаться сверхрешётка. Что не в каждой элементарной ячейке они сидят, а, например, в тех которые соседи по граням, а в диагональных соседях их нет. Но (если я нигде не ошибся), в этом случае получается равное количество пустых элементарных ячеек и ячеек с углеродом. Таким образом в этом случае один атом углерода приходится на 8 атомов железа и массовая концентрация углерода 2.6%, а не 2.06% Иными словами, всё равно не сходится. Примерно сходится, если взять десять атомов железа. Но как они при этом расположены, чтобы получилось что-то регулярное, непонятно. Если же они расположены нерегулярно, непонятно почему больше не помещается.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопрос про диаграмму состояния системы железо-углерод
Сообщение12.06.2018, 00:22 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


04/09/14
3208
ФТИ им. Иоффе СПб
metelev в сообщении #1319148 писал(а):
Если же они расположены нерегулярно, непонятно почему больше не помещается.
Поскольку ни кто из близких к химии не ответил, попробую я. Аустенит это твердый раствор внедрения. Это значит, что примесь (углерод) садится не в узлы решетки, а в междоузлие. В этом случае происходит искажение решетки и увеличивается свободная энергия подрешетки железа. Начиная с некоторой концентрации примеси становится энергетически выгодно разделить фазы, и углерод начинает образовывать графитовые включения - получается чугун. Точка разделения фаз для твердых растворов внедрения обычно порядка 10 атомных процентов (1 атом примеси на 10 атомов основного вещества). Примерно так в аустените и получается. Такой твердый раствор имеет жалкое подобие кристаллической решетки, жутко дефектной и перекособоченной, а картинка с углеродом в центре ячейки $\gamma$ железа - сильная идеализация.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопрос про диаграмму состояния системы железо-углерод
Сообщение12.06.2018, 06:58 


20/03/12
169
СПб
amon спасибо. Наверное так и надо про аустенит думать. Про графитовые включения только хочу дополнить --- я уже целый день эту диаграмму разглядывал и почитал про неё немного. Там есть два варианта, метастабильный, с фазой $\mathrm{Fe_3 C}$ и стабильный, когда железо и углерод образуют отдельные фазы. На графике они сплошными и штриховыми линиями обозначены.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопрос про диаграмму состояния системы железо-углерод
Сообщение12.06.2018, 15:48 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


04/09/14
3208
ФТИ им. Иоффе СПб
Карбид железа (цементит) является "истинным" химическим соединением, правда, метастабильным, а аустенит и феррит - твердые растворы. Твердые растворы при малых концентрациях углерода стабильны. При больших концентрациях образуются по-отдельности графит и твердый раствор железа с приемлемой концентрацией углерода (чугун). Кроме того, часть углерода может образовать карбид железа в виде мелких кристалликов. В общем, сложно все с железом, могли бы какой материал по-проще взять что бы так не мучаться ;)

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопрос про диаграмму состояния системы железо-углерод
Сообщение12.06.2018, 20:58 


01/04/08
1222
metelev в сообщении #1319148 писал(а):
Смотрим на диаграмму. Точка E соответствует концентрации углерода 2.06%, а вовсе не 5.08% как можно было бы ожидать.

Не очень понятно, почему так рано заканчивается ромбик $\gamma$-фазы. Есть для этого какое-то простое объяснение?

непонятно почему больше не помещается.

Дело в том, что размер пустоты (поры) внутри г.ц.к. решетки $\gamma$-железа несколько меньше атома углерода, поэтому внедряемый атом углерода искажает решетку (распирает ее), в результате чего ближайшие пустоты соседних ячеек уменьшаются и уже становятся недоступны для новых атомов углерода.
Таким образом, в среднем, углерод может заполнить только около 2% (2,06%, или 2,14% - по другим источникам).

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопрос про диаграмму состояния системы железо-углерод
Сообщение13.06.2018, 09:37 


20/03/12
169
СПб
GraNiNi, спасибо!

Спрошу здесь же. Точнее, сначала перескажу своими словами, что усвоил из википедии.

Мартенситный переход это то самое что происходит при закалке. Со структурной точки зрения перестроение аустенитной решётки. В отличие от других процессов диффузия здесь не принимает участия. Происходит такое перестроение с большой скоростью, до тысячи метров в секунду. В результате получается пересыщенная углеродом $\alpha$-фаза. Не знаю говорят про неё тоже что она метастабильная или нет.

И в то же время есть температура начала мартенситного превращения и есть температура окончания, то есть оно происходит в некотором температурном диапазоне. Как это сочетается?

Механизм, как я себе представляю "на пальцах", структурное перестроение отдельных кристаллитов аустенита, которое частично "разгружает", снимает напряжение с остального объёма металла, и другие кристаллиты при более низкой температуре претерпевают аналогичный переход. Правильно?

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопрос про диаграмму состояния системы железо-углерод
Сообщение13.06.2018, 13:13 


01/04/08
1222
metelev в сообщении #1319528 писал(а):
Механизм, как я себе представляю "на пальцах", структурное перестроение отдельных кристаллитов аустенита, которое частично "разгружает", снимает напряжение с остального объёма металла, и другие кристаллиты при более низкой температуре претерпевают аналогичный переход. Правильно?

Если имеется ввиду мартенситное превращение, то о снятии напряжений говорить не приходится, наоборот, именно напряжения, возникающие при быстром охлаждении (сжатие) и являются пусковым механизмом в результате которого и происходят превращения в кристаллической решетке металла.
При этом решетка $\gamma$-железа, характерная для аустенита, превращается в решетку $\alpha$-железа по, так называемому, сдвиговому механизму.
В литературе иногда говорят, что это происходит "мгновенно", но это не физично - просто скорость превращения очень велика и определяется скоростью передачи деформации в стали, то есть сравнима со скоростью звука в ней.
При таких больших скоростях, углерод, содержащийся в аустените, не успевает. как это происходит при обычном перлитном превращении, прихватив с собой три атома железа, выделится в виде цементита, и "застревает" в возникших тетрагональных кристаллах.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопрос про диаграмму состояния системы железо-углерод
Сообщение13.06.2018, 18:35 


20/03/12
169
СПб
GraNiNi спасибо, но это всё более-менее понятно. Непонятно, почему мартенситный переход совершается не одномоментно, а в каком-то диапазоне температур. Начинается при одной температуре и заканчивается при другой. Причём внутри этого диапазона температур мартенситная фаза соседствует с аустенитной.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопрос про диаграмму состояния системы железо-углерод
Сообщение13.06.2018, 22:44 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


04/09/14
3208
ФТИ им. Иоффе СПб
metelev в сообщении #1319606 писал(а):
Непонятно, почему мартенситный переход совершается не одномоментно, а в каком-то диапазоне температур.
Это мы уже в дебри полезли. Мартенситный переход это переход из $\gamma$ фазы в $\alpha$ фазу кристаллической решетки железа. При этом из-за наличия углерода в более-менее случайных местах существуют флуктуации механических напряжений. В результате температура перехода в разных местах оказывается чуть разная. Образуются зародыши новой фазы и границы зерен старой и новой фаз. Дальше процесс определяется движением границ этих самых зерен. Поэтому процесс перехода растягивается по температуре. Сначала образуются зародыши стабильной фазы, потом происходит рост зерен одной фазы в другой, и т.д. Осложняется это тем, что энергетически выгоднее углероду не торчать черт знает где в чужеродной решетке, а образовать кристалл карбида железа, но для этого углероду надо куда-то продиффундировать. Поэтому результат зависит еще и от скорости охлаждения, что приводит к затейливой процедуре закалки стали, в результате которой из одного и того же расплава можно получить совсем разные материалы.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопрос про диаграмму состояния системы железо-углерод
Сообщение13.06.2018, 23:16 


01/04/08
1222
metelev в сообщении #1319606 писал(а):
Непонятно, почему мартенситный переход совершается не одномоментно, а в каком-то диапазоне температур.

Да, в отличие от превращения аустенита в перлит, для образования мартенсита недостаточно простого снижения температуры ниже метастабильного равновесия аустенит-мартенсит, то есть когда энергетически более выгодно превращение аустенита в мартенсит, а нужно поддерживать ее непрерывное падение, сохраняя определенное переохлаждение (разность температур).
Считается, что это переохлаждение нужно для запаса свободной энергии и накопления внутренних напряжений.

Если, например, остановить падение температуры, то остановится и мартенситное превращение, при возобновлении падения температуры - оно продолжится тоже (правда с определенными оговорками).

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопрос про диаграмму состояния системы железо-углерод
Сообщение14.06.2018, 09:41 


20/03/12
169
СПб
amon, GraNiNi спасибо!

Вот что пишут в БСЭ про мартенсит:
Цитата:
В результате деформации решётки при этом превращении (так называемого кооперативного сдвига) на поверхности металла появляется рельеф; в объёме же возникают внутренние напряжения и происходит пластическая деформация, которые и ограничивают рост кристалла. Скорость роста достигает $10^3\, \text{м/сек}$ и не зависит от температуры, поэтому скорость образования мартенсита обычно лимитирует зарождение кристаллов. Противодействие внутренних напряжений смещает зарождение кристаллов много ниже точки термодинамического равновесия фаз и может остановить превращение при постоянной температуре; в связи с этим количество возникшего мартенсита обычно растет с увеличением переохлаждения. Поскольку упругая энергия должна быть минимальной, кристаллы мартенсита принимают форму пластин (на шлифе - иголок), правильно ориентированных относительно исходной решётки. Внутренние напряжения снимаются также пластической деформацией, поэтому кристалл содержит много дислокаций (до $10^{12}\, \text{см}^{-2}$) либо разбит на двойники толщиной $10-100\,\text{нм}$ ($100-1000\,\text{\AA}$).


Ещё нашёл такую красивую картинку (здесь):
Изображение

И ещё сайт, где много фотографий микроструктуры с пояснениями здесь Одну утащу сюда, остальное читайте по ссылке. "Сталь 45" означает что массовое содержание углерода 0.45% "Эвтектика" --- точка C на диаграмме. "Сталь 65Г" означает что 0.65% углерода и марганец в количестве до 1%.

Изображение

Ещё мне помогла фраза прочитанная в википедии, что вся разница между фазами с красивыми названиями состоит в микроструктуре.

amon в сообщении #1319659 писал(а):
Это мы уже в дебри полезли.


В дебрях самое интересное :D

Кстати, насколько я знаю до сих пор нет простого способа понять, сколько какой фазы в стали получилось. Только под микроскопом разглядывать.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопрос про диаграмму состояния системы железо-углерод
Сообщение14.06.2018, 18:10 


01/04/08
1222
metelev в сообщении #1319744 писал(а):
Кстати, насколько я знаю до сих пор нет простого способа понять, сколько какой фазы в стали получилось. Только под микроскопом разглядывать.

Теоретически, из диаграммы Fe-C, можно вычислить почти все.
Вот здесь это изложено очень хорошо: https://web.utk.edu/~prack/MSE%20300/FeC.pdf
Особенно удачны рисунки, показывающие последовательность превращений фаз в воображаемом поле зрения микроскопа и соответствующие им фазы в реальных микрофотографиях.

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 12 ] 

Модераторы: Парджеттер, Pphantom, Aer, photon, profrotter, Eule_A, Jnrty, whiterussian, Супермодераторы



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group