Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Диаграмма состояния сплавов системы «железо - карбид ɛ-Fе2C»

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 766577.01.99
Рассмотрены этапы эволюции и основные проблемы диаграммы «железо - углерод». Исследованы фазовые превращения карбидов железа, представлена фазовая диаграмма железа в условиях температур и давлений ядра Земли. Рассмотрены варианты диаграмм состояния сплавов системы «Fe - С» при сверхвысоких давлениях, выполнен анализ процессов структурообразования высокоуглеродистых сплавов, закаленных под высоким давлением при различных температурах. Предложены два варианта диаграмм системы «Fe - карбид ɛ-Fe2C» в концентрационном интервале 0.. .9,7 % С - на основе эвтектического и перитектического типов превращений. Для специалистов в области металлургии. Издание может быть полезно научным работникам, преподавателям вузов и аспирантам металлургических направлений подготовки.
Давыдов, С. В. Диаграмма состояния сплавов системы «железо - карбид ɛ-Fе2C» : монография / С. В. Давыдов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 280 с. - ISBN 978-5-9729-0735-9. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1833158 (дата обращения: 24.11.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Ʊ ƢƤǀǂǛDŽǎǂ
ƤƨƠƣưƠƬƬƠƱƮƱƲƮƿƭƨƿƱƯƫƠƢƮƢ
ƱƨƱƲƥƬƻjƦƥƫƥƧƮ–ƪƠươƨƤܭ-FDZ2C» 
Ìîíîãðàôèÿ 
Ìîñêâà    Âîëîãäà 
«Èíôðà-Èíæåíåðèÿ» 
2021 


УДК 620.17669.131 
ББК 34.22 
Д13 
Р е ц е н з е н т ы :
Панов Алексей Геннадьевич – проф., д-р техн. наук (Набережночелнинский институт Казанского 
(Приволжского) федерального университета, г. Набережные Челны, Республика Татарстан); 
Болдырев Денис Алексеевич – проф., д-р техн. наук, главный специалист 
бюро металлургических процессов и сварки отдела инжиниринга материалов дирекции 
по испытаниям материалов и автомобилей службы исполнительного вице-президента 
 по инжинирингу АО «АвтоВАЗ» 
Д13 
Давыдов, С. В. 
 
Диаграмма состояния сплавов системы «железо – карбид ܭ-Fе2C» : 
монография / С. В. Давыдов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2021. – 280 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-0735-9 
Рассмотрены этапы эволюции и основные проблемы диаграммы «железо – 
углерод». Исследованы фазовые превращения карбидов железа, представлена фазовая 
диаграмма железа в условиях температур и давлений ядра Земли. Рассмотрены 
варианты диаграмм состояния сплавов системы «Fe – C» при сверхвысоких давлениях, 
выполнен анализ процессов структурообразования высокоуглеродистых сплавов, 
закаленных под высоким давлением при различных температурах. Предложены два 
варианта диаграмм системы «Fe – карбид İ-Fe2C» в концентрационном интервале 
0…9,7  С – на основе эвтектического и перитектического типов превращений.  
Для специалистов в области металлургии. Издание может быть полезно 
научным работникам, преподавателям вузов и аспирантам металлургических 
направлений подготовки.  
УДК 620.17669.131 
ББК 34.22 
ISBN 978-5-9729-0735-9 © С. В. Давыдов, 2021 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 


Ïîñâÿùàåòñÿ 
ìîåìó Ó÷èòåëþ, ïðîôåññîðó 
Æóêîâó Àíäðåþ Àëåêñàíäðîâè÷ó


Жуков Андрей Александрович родился 15 сентября 
1928 года в г. Праге. 
С 1931 по 1950 г. г. проживал в Шанхае (Китай), где 
окончил французский колледж и химический факультет 
французского университета «Аврора». В 1954 году с отличием 
закончил Московский вечерний металлургический институт. 
В 1959 г. защитил кандидатскую диссертацию, в 1968 г. – 
докторскую диссертацию в области теории графитизации 
чугунов, в 1990 г. – докторскую диссертацию по физической 
химии. 
Заведовал кафедрами в нескольких вузах СССР – 
МВТУ им. Баумана, Завод-втуз при ЗИЛе, Брянский институт 
транспортного 
машиностроения 
(БИТМ), 
Винницком 
политехническом институте. Несколько лет проработал 
профессором в Индии. 
Знал 
в 
совершенстве 
английский, 
немецкий, 
французский языки, владел китайским, польским, чешским 
языками. 
Опубликовал 
более 
700 
работ, 
10 
книг 
и 
справочников. За научные достижения Жуков А.А. удостоен двух премий им. Д.К. Чернова, 
премии им. Соболевского, медали ВДНХ. 
Научная деятельность Жукова А.А. была очень насыщенной и многогранной. 
Значительный вклад в науку внесли его работы в области металлургии, металловедения, 
литейного производства, металлофизики и физической химии металлов. 
К металлофизическому направлению работ Жукова А.А. относятся его исследования по 
увязке электронного строения элементов с их влиянием на структурообразование в чугунах и 
сталях. 
Большой вклад Жуков А.А внес в теорию сплавов, в частности, в теоретическое 
обоснование базовой диаграммы в области металловедения чугунов и сталей – диаграммы 
Fe-С с нанесением на диаграмму линий изоактивности углерода. Жуков А.А. впервые 
экспериментально определил область гомогенности цементита и его температуру плавления, 
решив одну из важнейших проблем теории диаграммы Fe-С. 
Значительная часть теоретических и экспериментальных работ Жукова А.А. относится 
к разработке и развитию научных основ теории графитизации в чугунах, а также 
исследованию фазовых превращений при структурообразовании в чугунах и сталях. Жуков 
А.А. внес значительный вклад в теорию состояния жидкого чугуна, первым предложив 
рассматривать структуру жидкого чугуна на основе многомерности форм существования 
углеродных кластеров, и в частности, фуллеренов. На основе термодинамического подхода к 
процессам графитизации Жуков А.А. разработал целый ряд структурных диаграмм чугунов 
для их практического применения в литейном производстве, новых типов сплавов, например, 
стабильно-половинчатых чугунов и технологий модифицирования чугуна и стали. Результаты 
работ в этом направлении изложены в фундаментальной настольной книге литейщиков и 
металловедов: «Чугун: Справ. изд./под ред. А.А. Жукова и А.Д. Шермана. – М.: Металлургия, 
1991. – 576 с.». 
Основным научным интересом Жукова А.А. являлось развитие теории геометрической 
термодинамики и ее приложения к термодинамике железоуглеродистых сплавов, которые он 
изложил в своем главном научном труде – монографии, вышедшем в двух изданиях: «Жуков 
А.А. Геометрическая термодинамика сплавов железа: Изд. 1-е. – М.: Металлургия, 1971. – 
272 с.; Изд. 2-е, перераб. – М.: Металлургия, 1979. – 232 с.». 
4 


СОДЕРЖАНИЕ 
Введение 
....................................................................................................................... 9 
ГЛАВА 1 
ЭВОЛЮЦИЯ ДИАГРАММЫ «ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД» ......................................... 10 
1.1. Диаграмма «железо-цементит» 
......................................................................... 10 
1.2. Диаграмма «железо-алмаз» ............................................................................... 22 
1.3. Фазовые превращения карбидов железа в ядре Земли 
................................... 32 
1.3.1. Внутреннее строение ядра Земли 
.......................................................... 32 
1.3.2. Фазовые соотношения и стабильность карбидов железа Fe2C, Fe3C, 
Fe7C3 при давлениях и температурах ядра Земли 
................................ 33 
1.3.3. Политипные модификации карбида Fe7С3 ............................................. 41
1.3.4. Структура и состав карбидов железа, стабильных при 
сверхвысоких давлениях ........................................................................ 42 
1.3.5. Фазовая диаграмма железа при высоких давлениях ........................... 45 
1.4. Диаграмма состояния сплавов системы Fe-C при 
сверхвысоких давлениях .................................................................................. 48 
1.4.1. Экспериментальные методы синтеза, плавки и исследования 
смесей карбидов Fe3C, Fe7C3 с железом 
.......................................................... 48 
1.4.2. Исследование расплава эвтектического состава 
в системе Fe-C ................................................................................................... 50 
1.4.3. Металлографические исследования структуры сплавов системы Fe-C 
при сверхвысоких давлениях 
........................................................................... 67 
1.4.3.1. Фазовая структура закаленных с 1300 °С сплавов под 
давлением 5,0 ГПа ................................................................................ 69 
1.4.3.2. Фазовая структура закаленных с 1700 °С сплавов под 
давлением 5,0 ГПа ................................................................................ 71 
1.4.3.3. Фазовая структура закаленных с 1800 °С сплавов под 
давлением 14,0 ГПа .............................................................................. 74 
1.4.4. Фазовые превращения в цементите Fe3C при нагреве в условиях 
сверхвысоких давлений 
.................................................................................. 77 
1.4.5. Конфигурация линий фазового равновесия в высокоуглеродистой 
части диаграммы Fe-C .................................................................................... 80 
1.5. Ревизионистские варианты диаграммы Fe-C  ................................................. 90 
Выводы к главе 1 
....................................................................................................... 97 
Список литературы к главе 1 ................................................................................. 98 
5 


ГЛАВА 2 
ДАВЛЕНИЕ ПАРА УГЛЕРОДА В ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ 
РАСПЛАВАХ ...................................................................................................... 105 
2.1. Общие положения о давлении пара углерода в расплавах системы 
Fe-C 
............................................................................................................... 105 
2.2. Термодинамика давления пара углерода 
........................................... 108 
2.3. Термодинамическая активность и давление пара углерода ............ 109 
2.4. Расчетный метод определения давления пара углерода над 
кристаллическим графитом и расплавом чугуна 
..................................... 110 
2.5. Давление пара углерода как корреляционная термодинамическая 
функция описания состояния железоуглеродистого расплава 
............... 116 
2.6. Расчет давления пара углерода в подсистеме углеродная 
наночастица – расплав ................................................................................ 117 
2.7. Расчет давления пара углерода в подсистеме расплав – пар 
........... 119 
2.8. О графитной спели в чугунах ............................................................. 123 
Выводы к главе 2 
................................................................................................. 126 
Список литературы к главе 2 ............................................................................. 128 
ГЛАВА 3 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ КАРБИДНЫХ 
ФАЗ В СИСТЕМЕ Fе-C ...................................................................................... 130 
3.1. «Белые» области диаграммы состояния сплавов Fe-C..................... 130 
3.2. Железо-углеродистые сплавы как растворы ..................................... 131 
3.3. Эволюция представлений о фазовых превращениях  ...................... 132 
в карбидной области диаграммы 
............................................................... 136 
3.4. О нестехиометричности кристаллов .................................................. 136 
3.5. Физико-химическая идентификация карбидных фаз 
....................... 137 
Выводы к главе 3 
................................................................................................. 145 
Список литературы к главе 3 ............................................................................. 146 
Глава 4 ПЕРИТЕКТОИДНОЕ КАРБИДНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ НА ОСНОВЕ 
ܭ-КАРБИДА Fе2С В СПЛАВАХ СИСТЕМЫ Fе-C 
.......................................... 149 
4.1. Выделение İ-карбида Fe2C в сталях 
..................................................... 149 
4.2. Идентификация цементита и İ-карбида 
как твердых растворов 
.................................................................................. 152 
4.3. Перитектоидное фазовое превращение İ-карбида 
на диаграмме Fe-C 
......................................................................................... 154 
4.4. Металлографические исследования перитектоидного 
превращения .................................................................................................. 156 
4.4.1 Методика проведения исследований при равновесном охлаждении 
сталей 
........................................................................................................ 157 
4.4.2. Выделение İ-карбида в перлите стали 45 
................................... 157 
6 


4.4.3. Выделение İ-карбида в перлите стали 40Х 
................................ 159 
4.4.4. Выделение İ-карбида в перлите стали 35ХГСА ........................ 161 
4.4.5. Выделение третичного цементита в феррите стали 45 ............. 163 
4.4.6. Распад перлита стали 20 по реакции перитектоидного 
превращения при длительном изотермическом отжиге ..................... 164 
4.4.7. Распад перлита в эвтектическом белом чугуне при длительном 
изотермическом отжиге 
.......................................................................... 165 
Выводы к главе 4 
................................................................................................. 170 
Список литературы к главе 4171 
ГЛАВА 5  
ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В КАРБИДНОЙ ОБЛАСТИ 
ДИАГРАММЫ Fe-C ........................................................................................... 173 
5.1. Проблемы высокоуглеродистой области диаграммы Fe-C ............. 173 
5.2. Вариант диаграммы «Fe-карбид İ-Fe2C» с эвтектическими 
превращениями в «зацементитной» области ........................................... 177 
5.3. Вариант диаграммы «Fe-карбид İ-Fe2C» с перитектическими 
превращениями в «зацементитной» области ........................................... 181 
Выводы к главе 5 
................................................................................................. 184 
Список литературы к главе 5 ............................................................................. 184 
ГЛАВА 6  
СТРОЕНИЕ РАСПЛАВА ЧУГУНА И УСЛОВИЯ ЕГО 
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ............................................. 186 
6.1. Кластерная структура расплавов 
........................................................ 186 
6.1.1 Развитие представлений о структуре жидких металлов 
.......... 186 
6.1.2 Фрактальные кластеры и физика открытых систем 
................. 187 
6.1.3 Свойства фрактального кластера ............................................... 189 
6.2. О строении жидкого чугуна 
................................................................ 191 
6.3. Фуллерены – основа структурирования жидкого чугуна ................ 193 
6.3.1. Развитие науки о фуллеренах .................................................... 193 
6.3.2. Роль фуллеренов в железоуглеродистых расплавах ............... 194 
6.3.2.1. Структура малых кластеров углерода ......................... 194 
6.3.2.2. Фуллерены 
...................................................................... 197 
6.3.2.3. Фрактальные структуры углерода ............................... 202 
6.3.3. Развитие теории субмикрогетерогенного строения жидкого 
чугуна ..................................................................................................... 205 
6.3.4. Химия фуллеренов и оценка влияния поверхностно-активных 
элементов ............................................................................................... 207 
6.3.5. Фуллерены и теории строения жидкого чугуна ...................... 209 
7 


6.3.6. Компенсирующие процессы в Fe-C-расплаве при нарушении 
состояния равновесия по давлению пара углерода ........................... 211 
6.3.6.1. Поведение в расплаве чугуна фазы углеродистых 
наночастиц  
.................................................................................. 211 
6.3.6.2. Уровень давления и температур существования  
углеродных   наночастиц на основе фуллеренов 
..................... 214 
6.3.6.3. О стабилизации цементита в Fe-C-расплавах под 
влиянием внешнего давления  
................................................... 218 
6.3.7. Форма углерода в расплаве чугуна  .......................................... 219 
6.3.7.1. Неравновесный фазовый переход и влияние 
флуктуаций на формирование диссипативных структур  
в жидком чугуне 
.......................................................................... 219 
6.3.7.2. Расчет действительных размеров углеродных 
наночастиц в расплаве чугуна  .................................................. 222 
6.3.7.3. Форма углерода в расплаве чугуна и давление пара 
углерода ....................................................................................... 226 
6.3.8. Кристаллизация железоуглеродистых сплавов 
высокотемпературной плавки............................................................ 230 
Выводы к главе 6 
................................................................................................. 238 
Список литературы к главе 6 ............................................................................. 240 
 
Приложения ......................................................................................................... 244 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 
 


ВВЕДЕНИЕ 
Наша цивилизация, и это не будет преувеличением, базируется на 
применении в различных машинах, механизмах и конструкциях подавляющего 
объема сплавов на основе железа – чугуна и стали. Выпуск стали в мире, по 
оценке World Steel Association (WSA), для 64 ведущих стран-производителей за 
2019 год вырос на 3,4, до 1,87 млн. тонн и до 1,2 млн. тонн чугуна. Для 
сравнения, по данным Международной исследовательской группы по меди 
(ICSG), производство меди, лидера среди цветных металлов, на мировом рынке в 
2020 г. вырастет всего до 250 тыс. тонн. 
Сталь и чугун – это скелет нашей цивилизации и одним из 
приоритетных направлений в области теории сплавов является изучение, 
совершенствование и развитие стали и чугуна как базовых сплавов, как 
основных сплавов системы Fe-C, и, следовательно, описание диаграммы Fe-C, 
как в теоретическом, так и в экспериментальном аспекте не теряет своей 
актуальности и сегодня. Знание и управление фазовыми превращениями в 
соответствии с диаграммой состояния сплавов системы Fe-C является 
теоретической, технологической и физико-химической основой металлургии, 
металловедения и термической обработки стали и чугунов. Важнейшим 
направлением является изучение жидкого состояния системы Fe-C. 
В настоящее время существуют значительные «белые» области, где 
структура фазовой диаграммы Fe-C окончательно не установлена – 
в диапазонах температур, составов и давлений, не связанных непосредственно 
с производством железа и стали. Прежде всего, это относится к карбидной 
области диаграммы, лежащей правее линии цементита, которая в настоящее 
время обсуждается только в теоретическом плане. К другим проблемам 
диаграммы Fe-C следует отнести: отсутствие полной физико-химической 
идентификации ключевых карбидных фаз, таких как цементит ڧ-Fe3C, карбид 
Хегга Ȥ-Fe5C2, карбид Экстрема-Адкокка  -Fe7C3 и İ-карбид Fe2C; отсутствие 
областей фазовых превращений с их участием в структуре существующих 
вариантов диаграмм состояния сплавов Fe-C; гипотетические предположения 
о фазовом строении карбидной области диаграммы (правее линии цементита); 
неясность о физической природе и области гомогенности цементита. 
Установлено, 
что 
карбиды 
являются 
нестехиометрическими 
соединениями, 
т. 
е. 
фазами 
переменного 
состава, 
содержащие 
стехиометрический состав или твердыми растворами внедрения второго рода 
на основе дальтонидов и бертоллидов. Поскольку твердый раствор цементита 
не может быть компонентом диаграммы состояния сплавов, компонентом 
диаграммы является химическое соединение бертоллид İ-Fe2C и диаграмму 
«железо-цементит» можно с полным основанием переименовать в диаграмму 
состояния сплавов «железо - карбид İ-Fe2C».  
9 


ГЛАВА 1  
ЭВОЛЮЦИЯ ДИАГРАММЫ «ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД» 
Рассмотрены 
основные 
этапы 
эволюции 
диаграммы 
«железо-углерод». 
В 
настоящее время существуют значительные «белые» области, где структура фазовой 
диаграммы «железо-углерод» окончательно не установлена - в диапазонах температур, 
составов и давлений, не связанных непосредственно с производством железа и стали. 
Прежде всего, это относится к карбидной области диаграммы, лежащей правее линии 
цементита, которая в настоящее время обсуждается только в теоретическом плане. 
Рассмотрены основные проблемы диаграммы, к которым следует отнести: отсутствие 
полной физико-химической идентификации ключевых карбидных фаз, таких как цементит 
ύ-Fe3C, карбид Хегга Ȥ-Fe5C2, карбид Экстрема-Адкокка  -Fe7C3 и İ-карбид Fe2C; 
отсутствие областей фазовых превращений с их участием в структуре существующих 
вариантов диаграмм состояния сплавов «железо-углерод»; гипотетические предположения 
о фазовом строении карбидной области диаграммы (правее линии цементита); неясность о 
физической природе и области гомогенности цементита. 
Выполнен анализ вариантов диаграммы «железо-алмаз». Показано, что прямое 
превращение карбидов железа в алмаз под давлением невозможно. Трансформация 
цементита в алмаз возможна только в окислительно-восстановительных реакциях на 
основе оксида железа, т.е. через окисление цементита под высокими давлениями и 
температурой. 
Исследованы фазовые превращения карбидов железа и фазовая диаграмма железа  в 
условиях температур и давлений ядра Земли. 
Рассмотрены варианты диаграмм состояния сплавов системы Fe-C при 
сверхвысоких 
давлениях 
и 
выполнен 
анализ 
процессов 
структурообразования 
высокоуглеродистых сплавов закаленных под высоким давлением с различных температур. 
Проанализированы ревизионистские варианты диаграмм Fe-C и показана их 
несостоятельность и псевдонаучность. 
1.1. Диаграмма «железо-цементит» 
Несмотря на тщательное и всестороннее исследование диаграммы состояния сплавов 
на основе системы Fe-C, некоторые аспекты ее строения изучены недостаточно полно или не 
были приняты во внимание из-за их незначительности в плане практического применения и 
учета в конкретных сплавах и технологических процессах. Более того, все еще существуют 
значительные «белые» области, где структура фазовой диаграммы Fe-C окончательно не 
установлена - в диапазонах температур, составов и давлений, не связанных непосредственно 
с производством железа и стали. 
В подробном обзоре Тыркела Е. [1] рассматриваются основные исторические этапы 
развития диаграммы состояния сплавов системы Fe-C, основоположником которой является 
великий русский металлург и металловед Д.К.Чернов. На рисунке 1.1 показан первый 
набросок диаграммы, выполненный Д.К. Черновым. 
Из справочника О.А.Банных [2] на рисунке 1.2 показан полный вариант 
классической диаграммы Fe-C, который традиционно (по умолчанию) используется в 
современной отечественной научной и учебной литературе. 
10