Диаграмма состояния сплавов системы «железо - карбид ɛ-Fе2C»
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Давыдов Сергей Васильевич
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 280
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9729-0735-9
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.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 620: Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика
- 669: Металлургия. Металлы и сплавы
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 22.04.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.04.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
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