Характерні точки діаграми стану залізо-вуглець

Основними компонентами залізовуглецевих сплавів є залізо і вуглець.

Залізо – це сріблясто-сірий метал з атомним номером 26, атомним радіусом 0,127нм, атомною масою 55,85, густиною 7860 кг/м³ та температурою плавлення 1539±5⁰С. Залізо - поліморфний метал. В інтервалі температур 1539…1392⁰С існує δ–залізо з ОЦК-граткою і періодом 0,293 нм, в інтервалі температур 1392…911⁰С – γ–залізо з ГЦК-граткою і періодом 0,364 нм, а при температурах, нижчих за 911⁰С – α–залізо з ОЦК-граткою з періодом 0,286 нм. При температурі 768⁰С (точка Кюрі) залізо зазнає магнітне перетворення - нижче цієї температури залізо феромагнітно, а вище – парамагнітно.Технічно чисте залізо має такі механічні властивості: σв=250МПа; σт = 120 МПа; 800НВ; δ = 50% і ψ = 85%.

Вуглець – це неметалевий елемент з атомним номером 6, атомним радіусом 0,077нм, атомною масою 12,011 густиною 2500кг/м³ та температурою плавлення 3500⁰С. Вуглець існує в двох модифікаціях: графіту і алмазу. У звичайних умовах він знаходиться у вигляді графіту, але може існувати і у вигляді метастабільного алмазу. Графіт має гексагональну шарувату гратку, де відстань між шарами становить 0,34 нм, а між атомами у шарі – 0,14 нм. Завдяки шаруватості міцність графіту невелика – σв=20 МПа (при 20⁰С). Алмаз має складну кубічну гратку з періодом 0,1545 нм, у якому діють надзвичайно сильні ковалентні міжатомні зв’язки, що обумовлює високу твердість алмазу.

Вуглець розчиняється у залізі в рідкому та твердому станах, а також утворює з залізом хімічну сполуку Fe3С (цементит), а у високовуглецевих сплавах може існувати і у вигляді графіту.

Основними фазами, які утворюються в залізовуглецевих сплавах, є необмежений рідкий розчин вуглецю в залізі (Р), ферит (Ф), аустеніт (А), цементит (Ц) і графіт (Г).

Ферит – це твердий розчин проникнення вуглецю в α- або d–залізі. Максимальна розчинність вуглецю в d–залізі становить 0,1% при 1499⁰С (т.Н), в α–залізі – 0,02% при 727⁰С (т.Р), а при кімнатній температурі вона зменшується до 0,006%. Така низька розчинність вуглецю в Feα(Feδ) обумовлена малими розмірами пор в ОЦК гратці. Ферит – м’яка , пластична фаза з такими механічними властивостями: - sв=250МПа; sт=120МПа; δ=50% і Ψ=80%; КСU=2,5 МДж/м²; 800…900НВ. Області існування на діаграмі Fe-Fe3C: чистого δ–фериту – АНN, α–фериту – GPQ.

Аустеніт – це твердий розчин проникнення вуглецю в γ – залізі. Максимальна розчинність вуглецю в γ – залізі значно вище, ніж у Feα і становить 2,14% при 1147⁰С, що пов’язано з більшими розмірами пор в ГЦК гратці. При зниженні температури розчинність вуглецю в γ–залізі зменшується і при температурі 727⁰С становить 0,8%. Аустеніт більш тверда (1700…2000НВ) і міцна (sв = 500…800МПа), ніж ферит, але дуже пластична фаза. Область існування чистого аустеніту на діаграмі Fe-Fe3C - NJESG.

Цементит – це хімічна сполука заліза з вуглецем, карбід заліза Fe3C. Температура плавлення приблизно 1260⁰С. Труднощі з визначенням цієї температури пов’язані з нестійкістю цементиту при нагріванні, тобто його розпадом з утворенням аустеніту і графіту. Цементит при температурах нижче 210⁰С має слабкі феромагнітні властивості, а при цій температурі (при нагріванні) втрачає феромагнетизм. Цементит має складну орторомбічну гратку, в елементарній комірці якої розміщені 12 атомів заліза і 4 атоми вуглецю. Цементит має високу твердість (~8000НВ) і крихкість. На діаграмі стану Fe-Fe3C цементиту відповідає вертикальна лінія DFKL.

Графіт – це вуглець, який виділяється у високовуглецевих сплавах у вільному стані при повільному охолодженні (за стабільною діаграмою стану “залізо – графіт”).

5.2. Процеси, які відбуваються при температурах,

які відповідають лініям діаграми стану “залізо – цементит”

На діаграмі Fe-Fe3C точка А (рис.5.1.) відповідає температурі плавлення чистого заліза (1539⁰С), точка N (1392⁰С) - температурі поліморфного Fed «Feg-перетворення, G (911⁰С) - поліморфного Feg« Fea-перетворення, D (1260⁰С) - температурі плавлення цементиту. Точки Н і Р характеризують граничну концентрацію вуглецю відповідно у високо - та низькотемпературному фериті, а точка Е - в аустеніті.

Перетворення в залізовуглецевих сплавах відбуваються як при твердінні рідкої фази (первинна кристалізація), так і в твердому стані (вторинна кристалізація). Первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур між лініями ліквідус (АВСD) і солідус (АНJECF). Вторинна кристалізація пов'язана з поліморфним перетворенням заліза і змінною розчинністю вуглецю в g- та a-залізі.

Лінії діаграми стану залізо-цементит мають такі позначення та фізичний зміст.

Лінія АВСD - лінія ліквідус - визначає температуру, при якій починається процес первинної кристалізації із рідкого сплаву, при цьому лінія АВ показує температуру початку кристалізації d-фериту, ВС - аустеніту, СD - цементиту первинного (ЦІ).

Лінія АНJECF - лінія солідус - визначає температуру, при якій закінчується процес первинної кристалізації, при цьому лінія АН показує температуру кінця кристалізації d-фериту, JE - аустеніту. Лінія НJВ - це лінія перитектичного перетворення, суть якого полягає в тому, що d-ферит, який утворився до цієї температури, реагує з рідким сплавом, що залишився, утворюючи при цьому аустеніт: РВ + ФН ® АJ.

Якщо сплав містить 0,16%С, то рідка фаза і d-ферит повністю витрачаються і після закінчення перитектичного перетворення залишається тільки аустеніт, а якщо сплав містить понад 0,1 і до 0,16 чи понад 0,16 і до 0,5%С, то в надлишку залишається відповідно d-ферит чи рідка фаза, тобто фазовий склад при завершенні перитектичного перетворення сплавів, що містять від 0,1 до 0,16%С, - d-ферит + аустеніт, а сплавів з вмістом вуглецю від 0,16 до 0,5% - аустеніт + рідка фаза.

Лінія ЕСF - це лінія евтектичного перетворення, суть якого полягає в тому, що рідка фаза, що містить 4,3%С, кристалізується з утворенням механічної суміші кристалів аустеніту, що містить 2,14%С, і цементиту:

РC ® АЕ +. ЦF. (5.1)

Евтектична суміш аустеніту і цементиту називається ледебуритом. Ледебурит містить 4,3%С, має високу твердість (> 6000НВ) і крихкість. Тому присутність ледебуриту в структурі сплавів, що містять 2,14…6,67%С, обумовлює їх нездатність до обробки тиском і утруднює обробку різанням.

Лінія NH - це лінія, яка відповідає температурі початку поліморфного (d-Ф ® А) - перетворення, а лінія NJ - кінця цього процесу.

Лінія GS - це лінія, яка відповідає температурі початку поліморфного (А ® a-Ф) - перетворення, а лінія GР - кінця цього процесу.

Лінія ЕS - це лінія максимальної розчинності вуглецю в g-залізі в залежності від температури, лінія, що відповідає температурі початку виділення надлишкового вуглецю з аустеніту внаслідок зменшення його розчинності в g-залізі при зниженні температури від 2,14% при 1147⁰С до 0,8% при 727⁰С, у вигляді цементиту, який називають вторинним (ЦІІ).

Лінія РQ - це лінія максимальної розчинності вуглецю в a-залізі, лінія, яка відповідає температурі початку виділення надлишкового вуглецю з a-фериту у вигляді третинного цементиту (ЦІІІ). Надлишок вуглецю в a-фериті з¢являється при охолодженні внаслідок зменшення розчинності вуглецю в a-залізі при зниженні температури з 0,02% при 727⁰С до 0,006% при 20⁰С.

Лінія PSK - це лінія евтектоїдного перетворення, суть якого полягає у перетворенні аустеніту, що містить 0,8%С, на суміш двох інших твердих фаз: a-фериту з вмістом 0,02%С і цементиту:

АS ® ФP +. ЦK. (5.2)

Ця евтектоїдна суміш фериту і цементиту отримала назву перліт. Назва структури пов'язана з тим, що під мікроскопом на травленому мікрошліфі вона має перламутровий перелив. Перліт містить 0,8%С, найчастіше має пластинчасту будову і є відносно міцною структурною складовою: σв=800…900МПа; σ0.2= 450МПа; δ£ 16%; ~ 2000НВ.

Евтектоїдне перетворення відбувається також і з аустенітом ледебуриту. Тому ледебурит при температурах нижче 727⁰С складається з перліту і цементиту і іноді такий ледебурит називають перетвореним (Лп).

Виходячи з процесів, що відбуваються при температурах, що відповідають лініям діаграми стану залізо-цементит, усі залізовуглецеві сплави можна поділити на дві групи:

1) сплави, що містять до 2,14%С і які в результаті первинної кристалізації отримують пластичну аустенітну структуру;

2) сплави, що містять понад 2,14%С і які після первинної кристалізації отримують тверду і крихку ледебуритну структуру з надлишковими аустенітом чи цементитом або без них.

Ця різниця у структурі після первинної кристалізації обумовлює суттєву відмінність у технологічних і механічних властивостях цих двох груп сплавів. Перша група сплавів має достатньо високу пластичність, що дає змогу виготовляти деталі з них пластичним деформуванням. У другій групі сплавів наявність у структурі евтектики (ледебуриту) робить їх нековкими, але вони мають низьку температуру плавлення і їх використовують як ливарний матеріал.

Залізовуглецеві сплави, що містять до 2,14%С, називають сталями, а понад 2,14%С - чавунами.