ДІАГРАМА СТАНУ СПЛАВІВ СИСТЕМИ ЗАЛІЗО - ВУГЛЕЦЬ

Сплави доевтектичні 2,14 (точка Е)…4,3 % С (точка С) і заевтектичні 4,3…6,67 % С кристалізуються в два етапи. На першому в інтервалі температур ліквідус (ВСD) – солідус (ЕСF) із рідкої фази виділяються первинні кристали: в доевтектичних – аустеніт (А), в заевтектичних – цементит (Ц)_І. На другому етапі рідина, що залишилась, твердне з утворенням евтектики – ледебурит (цементит + аустеніт). В результаті первинної кристалізації доевтектичні сплави мають структуру А_Е+Л, заевтектичні – Ц_І+Л. До- і заевтектичні сплави після первинної кристалізації мають дві фази – аустеніт і цементит.

Лінія АНN (див. рис. 5.1) показує границю розчинності вуглецю в -Fe, лінія GPQ – в -Fe, лінія ES – в-Fe. Таким чином, максимальна розчинність вуглецю в -Fe становить 0,1 % (точка Н, температура 1499°С), в -Fe - 0,02% С при 727 °С ( точка Р) і 0,0 1% С при 600 °С (Q) ; в -Fe – 2,14% (точка Е).

Сплави заліза з вуглецем, якого в сплаві менше 0,02%, називаються технічним залізом. Справа від лініїGPQ ферит є пересиченим твердим розчином, на лінії GPQ він гранично насичений вуглецем. При охолодженні сплавів, розташованих на діаграмі справа від PQ, нижче 727 °С із фериту виділяється надлишковий вуглець, що приводить до формування цементиту третинного (Ц_ІІІ) у вигляді сітки на границях зерен фериту. Структура технічного заліза показана на рис. 5.3, а. Якщо в структурі сплавів (0,02…6,67 % С) уже є цементит, то Ц_ІІІ нашаровується на нього і металографічним методом не визначається.

Лінія ES показує границю насичення аустеніту вуглецем залежно від температури сплаву. Розчинність вуглецю максимальна при 1147 °С ( точка Е) – 2,14%. В результаті аустеніт у сплавах, вміст вуглецю в яких більше 0,8% (точка S), справа від лінії ES виявляється перенасиченим твердим розчином і з нього виділяється вуглець, який іде на утворення цементиту вторинного (Ц_ІІ). У сталях Ц_ІІ формується частіше у вигляді сітки на границях зерен аустеніту, в чавунах найчастіше нашаровується на цементиті ледебуриту.

Вуглець, розчинюючись в ОЦК ґратці заліза  і , змінює їх і тим самим знижує температурну стійкість цих структур. Тому, чим більше вуглецю розчинено в -Fe, тим при більш високих температурах ґратка перетворюється в  - ґратку; чим більше вуглецю в сплаві, тим при більш низьких температурах аустеніт перетворюється в -ферит. Таким чином, розчинення вуглецю в залізі спричиняє підвищення температуриА₄ (лінія NI) і зниження А₃ (лінія GS), розширення температурної області існування аустеніту й зниження області фериту.

При охолодженні сплавів, які містять менше 0,8 % С, перетворення аустеніту у ферит починається при температурах, що відповідають лінії GS. Це перетворення через різну розчинність вуглецю у фериті (GР) і аустеніті (ЕS) супроводжується дифузійним перерозподілом вуглецю між ними. Тому перебудова ґраток проходить в температурному інтервалі GS - GР. Ділянка РGS є ділянкою двофазної структури, в якій ферит знаходиться в рівновазі з аустенітом.

У сплавах, що розташовані між точками Р та S, під час охолодження із утворенням фериту в указаному інтервалі температур аустеніт збагачується вуглецем (GS). При 727 ^оС вміст вуглецю в аустеніті на заключному етапі досягає 0,8 % (S), ґратка  - Fe (ГЦК) втрачає стійкість і перебудовується в ґратку  - Fe (ОЦК), в якій при 727 °С розчиняється тільки 0,02% С (Р).

Поліморфне перетворення ГЦК_{(0,8% С) } ОЦК_(0,02%С) супроводжується виділенням вуглецю з розчину й утворення цементиту:

А(S=0,8%C)  Ф(Р=0,02%С)+Ц(К).

Це трифазне перетворення, обумовлене поліморфізмом заліза, що відбувається при 727^оС, називається евтектоїдним. На відміну від трифазного евтектичного перетворення, при евтектоїдному вихідною фазою є не рідкий, а твердий розчин (в даному випадку аустеніт). Суміш фаз, що виділилася з твердого розчину називається евтектоїдом, при чому число фаз дорівнює числу компонентів системи. Структурна складова залізовуглецевих сплавів, яка утворюється в результаті розпаду аустеніту і яка складається із пластинок двох фаз – фериту і цементиту, що чергуються між собою, називається перлітом (П). Температура утворення перліту відповідає критичній температурі А₁ .

На діаграмі метастабільної рівноваги точці А₁ відповідає лінія РSK (727 °С). Евтектоїдне перетворенняАП, проходить в усіх сплавах, які містять більше 0,02 % С (точка Р), тобто в сталях і чавунах.

Сплави з вмістом вуглецю 0,02…2,14 % С, у структурі яких присутній перліт, називаються сталями(steel). Сталі поділяються на доевтектоїдні (С= 0,02…0,8 % С, структура Ф+П); евтектоїдні (С=0,8 % С, структура перліт); заевтектоїдні (С=0,8…2,14 % С, структура П+Ц_ІІ). Схеми структур цих сталей показані на рис. 5.3.

Сплави, які містять від 2,14 до 6,67% С, у структурі яких присутня певна доля евтектики – ледебуриту, називаються чавунами. Вони поділяються на доевтектичні (С=2,14…4,3 % С, структура П+Л); евтектичні(С+4,3 % С, структура - ледебурит); заевтектичні (С>4,3 % С, структура Ц_І+Л).

Цементит третинний в сталях і чавунах, а також цементит вторинний в евтектичному і заевтектичному чавунах як самостійні структурні складові при мікроструктурному аналізі зазвичай не визначаються.

Необхідно зазначити, що всі описані зміни структури, що проходять при охолодженні сплавів, повторюються і при нагріванні сплавів (у зворотному порядку). Це справедливо лише в тому випадку, коли охолодження і нагрівання проходять із дуже малими швидкостями, і при будь-якій температурі всі можливі перетворення повністю завершені й сплави знаходяться в стані фазової рівноваги.

Про фазові перетворення можна судити з кривих їх охолодження або нагрівання. Як приклад розглянемо процес структуроутворення в сталі з 0,4% С (рис. 5.2). Вище точки 1 сталь знаходиться в рідкому стані і безперервно охолоджується. В інтервалі температур 1-2 із рідкої фази, склад якої змінюється по ліквідусу АВ, випадають кристали  – фериту, склад яких визначається по солідусу АН. За правилом фазС=2-2+1=1, t  const. При кристалізації виділяється тепло, на ділянці кривої 1-2 охолодження сплаву зменшується. При температурі точки 2 проходить трифазне перитектичне перетворення: Р_В+_Н А₁+Р(залишок); С=2-3=1=0, t=const.

Залишкова рідина кристалізується при безперервному охолодженні в інтервалі температур 2-3 з утворенням аустеніту. В інтервалі 3-4 сплав має структуру А (аустеніту), безперервно охолоджується. При температурах 4-5 проходить поліморфне перетворення, ГЦК перебудовується в ОКЦ ґратку і з аустеніту виділяються кристали -фериту.

При температурі точки 5 проходить трифазне евтектоїдне перетворення А_(S) Ф_(Р)+Ц_(К), коли з аустеніту, не перетвореного у ферит, утворюється евтектоїд - перліт (Ф+Ц). У процесі подальшого охолодження сплаву з фериту виділяється Ц_ІІІ, який нашаровується на цементиті перлітному. Структура сталі охолодженої нижче температури точки 5 (до точки 6) - Ф+П (рис. 5.3, а).

Масові долі (%) фериту й перліту як структурних складових сталей можуть бути визначені за правилом відрізків. Наприклад, при 600 °С Ф=(0,8-0,4)/(0,8-0,01)100=50 %, а перліту П=(0,4-0,01)/(0,8-0,01)100=50 %. Масова доля фериту як фази, що існує разом із цементитом, Ф=(6,67-0,4)/(6,67-0,01)100=94 %. Решта 6 % належать іншій фазі – цементиту.

Таким чином, структура, що містить 0,4% С, складається із 50 % фериту і 50% перліту (відповідно до фазового аналізу - 94 % Ф+6 %Ц).

Рисунок 5.2 – Діаграма стану системи “Залізо-вуглець” і криві охолодження сталей (сплави І і ІІ) і чавунів (сплави ІІІ і ІV)

Аналогічна ферито-перлітна структура (тільки з різною часткою цих складових) усіх доевтектоїдних сталей (рис. 5.3, б).

Кристалізація типової заевтектоїдної сталі II з 1,5 % вуглецю (рис. 5.2) відбувається в інтервалі температур від точки 7 до точки 8, коли з рідкої сталі з’являються зерна аустеніту. Після закінчення кристалізації від температури точки 8 до точки 9 в аустенітній області відбувається просте фізичне охолодження однофазного сплаву. Оскільки лінія ES – лінія сольвусу, тобто лінія обмеженої розчинності вуглецю в -Fe (аустеніті), то нижче від точки 9 аустеніт стає перенасиченим вуглецем. Надлишкові атоми вуглецю виходять із ґратки аустеніту, зв’язуються з атомами заліза у хімічну сполуку – цементит. Такий цементит визначають як вторинний - Ц_II. Він виділяється по межах аустенітних зерен у вигляді тонкого прошарку. При охолодженні до 727 °С кількість вуглецю в аустеніті зменшується до 0,8 % (від точки 9 до точки S по лінії ES) і такий аустеніт при температурі точки 10 перетворюється на перліт. Структура всіх заевтектоїдних сталей – темні зерна перліту, оточені світлими прошарками вторинного цементиту (рис. 5.3, г).

а б в г

Рисунок 5.3 – Схеми структур: а – технічного заліза; б —доевтектоїдної сталі; в – евтектоїдної сталі; г – заевтектоїдної сталі

Як уже зазначалось, залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю більше 2,14% є чавунами, які поділяються на евтектичні, до- і заевтектичні.

У доевтектичних чавунах (сплав III, рис. 5.2) первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур між точками 12 і 13 з виділенням аустеніту. При температурі точки 13 (1147 °С) проходить евтектичне перетворення Р_{С }Л(А_Е+Ц). Згідно з правилом фаз – С=2-3+1=0 – це перетворення відбувається при постійній температурі (див. криву охолодження сплаву III).

Після закінчення цієї реакції структура сплаву буде складатися з аустеніту та ледебуриту. При зниженні температури з 1147 °С до 727 °С (точка 14) із аустеніту, в якому було 2,14 % С за рахунок зменшення розчинності вуглецю до 0,8 % (точка S) виділяється вторинний цементит Ц_II, що розміщується навколо зерен аустеніту. Такий вторинний цементит виділяється також і з аустеніту, що входить до складу ледебуриту. При температурі 727°С проходить евтектоїдне перетворення аустеніту (як первинного, так і того, що входив до складу ледебуриту) в перліт (АП), після завершення якого кінцева структура доевтектичних чавунів (рис. 5.4, а) буде складатися з перліту (темні зерна) і плямистої структури ледебуриту (темні плями перліту на фоні світлого цементиту). Вторинний цементит зливається з цементитом ледебуриту і як окрема фаза не спостерігається.

Структура евтектичного чавуну з 4,3 % С – суто ледебуритна (рис. 5.4, б).

а б в

Рисунок 5.4 – Схеми структур чавунів: а – доевтектичного; б – евтектичного; в - заевтектичного

Кристалізація заевтектичних чавунів (сплав IV на рис. 5.2) починається з виділення в точці 16 кристалів первинного цементиту Ц₁ у вигляді пластин. При температурі точки 17 (1147 °С) відбувається евтектичне перетворення Р_{С }Л(А_Е+Ц), після завершення якого структура буде складатися з ледебуриту і первинних кристалів цементиту. Така структура буде зберігатися аж до кімнатної (точки19) з тією різницею, що в кінцевому ледебуриті буде не аустеніт, а перліт, який утворився внаслідок евтектоїдного перетворення при температурі точки 18 —727 °С (рис. 5.4, в).

Ці чавуни називаються білими, оскільки в зламі мають білий сріблястий колір, який визначається наявністю в структурі цементиту.

Діаграма стабільної рівноваги, позначена на рис. 5.2 пунктиром, відображає можливість утворення високовуглецевої фази – графіту на всіх етапах процесу структуроутворення в сплавах з підвищеним вмістом вуглецю. В інтервалі температур ліквідус DC – солідус CF із рідини виділяється графіт. При евтектичній температурі 1153 ⁰С (ізотерма E¹C¹F¹) рідина складу С твердне з утворенням графітної евтектики (А_Е+Г). В інтервалі температур ECF – PSK через зменшення розчинності вуглецю в аустеніті (лінія ES) виділяється графіт. При евтектоїдній температурі (t_PSK=738 °С) вміст вуглецю в аустеніті досягає 0,7 % (S¹) і аустеніт розпадається на ферит і графіт.

Таким чином, при охолодженні сплавів, які включають 2,14…6,67 % С, формується структура, яка складається з фериту та графіту. Це так звані графітизовані чавуни.