Рекомендована література

[1. с. 142 – 160, 160 –198; 3. с. 71 – 83; 4. с. 58 – 61, 62 – 65; 5. с. 90 – 102, 102 – 105, 111 – 120; 6. с. 75 – 88 ]

Призначення діаграми стану залізо – цементит. Діаграма стану або діаграма фазової рівноваги у зручній формі показує фазовий склад і структуру сплаву в залежності від температури та концентрації. Спрощена діаграма стану сплаву заліза з вуглецем побудована в інтервалі концентрацій вуглецю 0...6,67%, тобто до утворення хімічної сполуки карбіду заліза Fe₃C, який поводить себе як самостійний компонент. То ж можна вважати компонентами залізовуглецевих сплавів залізо і карбід заліза.

Діаграми стану дозволяють визначити фазові перетворення в умовах дуже повільного охолодження та нагрівання. Ці діаграми характеризують кінцевий стан сплавів, коли всі перетворення в них закінчилися. Цей стан сплаву залежить від зовнішніх умов (температура, тиск) і характеризується числом і концентрацією утворених фах.

Як правило, діаграми стану одержують експериментально і будують в координатах температура – концентрація у відсотках за масою. При цьому використовують криві охолодження застосовуючи термічний аналіз.

Характеристика компонентів сплаву: заліза і вуглецю. До залізо-вуглецевих сплавів належать сталі та чавуни. Для одержання заданих властивостей в сталь та чавун вводять легуючі елементи.

Чисте залізо– метал сріблястого кольору, порівняно м’який і пластичний, з густиною γ = 7,86г/см³та температурою плавленняt_пл =1539^оС. Міцність заліза складає 250МПа, твердістьНВ60...80, пластичністьδ= 45 %.

При атмосферному тиску в інтервалі температур від абсолютного нуля до 911 ^оС залізо має ОЦК кристалічну решітку (α-Fe). При температурі 911^оС відбувається поліморфне перетворення (утворюється ГЦК кристалічна решітка γ-Fe) стійке до 1392^оС (слайд 1.3-1); вище 1392^оС залізо знову переходить в фазу α-Fe, яку нерідко позначають як δ-залізо. Таким чином, критична температура перетворення α ↔ γ становить 1392^оС, а критична температура перетворення γ ↔ α – 911^оС.

Вуглецьявляється неметалевим поліморфним елементом. Температура плавлення вуглецюt_пл =1539^оС. У звичайних умовах він знаходиться у вигляді модифікації графіту.

Вуглець розчиняється в залізі у рідкому і твердому станах, а також може знаходитися у вигляді хімічної сполуки Fe₃C– цементиту, а у високовуглецевих сплавах і у вигляді графіту.

Взаємодія заліза з вуглецем та характеристика фазових і структурних складових. В системіFe–Cрозрізняють наступні фази:рідкий сплав,тверді розчини–феритіаустеніт, а такожцементитіграфіт.

Твердий розчин вуглецю в α-Feі δ-Feназиваєтьсяферитом(слайд 1.3-2), а в γ-Fe–аустенітом(слайд 1.3-3). Розчинність вуглецю в α-Feдосить мала і тому властивості фериту близькі до властивостей чистого заліза. Аустеніт має ГЦК решітку з крупними (в центрі куба) порами, зручними для розміщення атомів вуглецю, тому в γ-Feрозчиняється від 0,765 до 2,14 % С. Аустеніт – парамагнітна пластична фаза і його властивості залежать від вмісту вуглецю. Ферит і аустеніт, як і чисті метали, мають зернисту будову.

Цементит– хімічна сполукаFe₃C(карбід заліза), що містить 6,67 % С, відрізняється високою твердістю (≥800НВ) крихкістю, температура плавлення1600^оС. Кристалізується цементит по лінії ліквідусу СD(разом з тим, по лінії ліквідусу АС кристалізується аустеніт). В точці С при температурі 1147^оС і вмісту в розплаві 4,3 % С одночасно кристалізуються аустеніт і цементит, утворюючи при цьому евтектику –ледебурит.

Сплави заліза з вуглецем, в яких в результаті первинної кристалізації в рівновазі утворюється аустенітна структура, називають сталями. Отже сталі – це залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю до 2,14 % C.

Сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 %, в яких при кристалізації утворюється евтектика ледебурит, називаютьчавунами. Отже, чавуни – це залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 %C.

Особливості діаграми стану. Характеристика крапок діаграми.Лінії ліквідусу АСDта солідуса AECF та їх відповідні відрізкиGC, SE i PSK відображають перетворення в сплавах після затвердіння. Точка Е, що відповідає концентрації 2,14 % С, є критичною точкою і вертикаль, проведена через цю точку, поділяє залізовуглецеві сплави за структурою на дві групи (рис. 1.3-1 – діаграму стану залізо-цементит).

Зліва від вертикалі через цю точку розташовані сплави, які тверднуть з утворенням твердого розчину вуглецю в γ-залізі, що зветься аустенітом (А). Ці сплави досить пластичні, здатні оброблюватися тиском, їх звуть сталями.

Сплави, що праворуч від вертикалі через точку Е, з вмістом вуглецю більше 2,14 % С, тверднуть з утворенням евтектики (ледебуриту), що зменшує пластичність цього сплаву, але покращує ливарні властивості. Ці сплави називають чавунами.

Зазначені сплави (сталі і чавуни) є основними сплавами на основі заліза в системі Fe-C.

Рисунок 1.3-1 – Діаграма стану залізо-цементит

Перетворення в сталях і чавунах при нагріванні та охолодженні. Користуючись діаграмою стану залізо-цементит ( рис. 1.3-1) аналізуємо та коментуємо фазовий склад та ті фазові перетворення які відбуваються при відповідних температурах для доевтектоїдної (0,3 % С), евтектоїдної (0,8 % С) та заевтектоїдної (1,2 % С) сталях при їх нагріванні та охолодженні.

Такий же аналіз з коментарями проводимо, користуючись зазначено діаграмою, і для чавунів – доевтектичного білого (3,0 % С), евтектичного білого (4,3 % С) та заевтектичного білого (5,0 % С) відповідно при нагріванні та охолодженні.

Взаємозв’язок будови і властивостей сплавів.Діаграми склад – властивість (слайд 1,3-4, Л.3 с. 74) є найцінніший додаток до діаграм стану сплавів: вони характеризують зміну властивостей сплаву в залежності від складу сплаву.

Ці діаграми дають інформацію про характер змін твердості та електропровідності в залежності від виду діаграм стану. Поряд із визначенням твердості, міцності, електропровідності діаграми стану дають можливість визначати ливарні властивості, здатність піддаватися обробці тиском, різанням тощо.

Практичне застосування діаграми.Діаграма стану сплавів системи залізо – цементит використовується практично для визначення температури плавлення та початку і кінця кристалізації для різних марок сталей та чавунів, визначати їх фазовий склад, температури фазових перетворень, оцінювати режими їх термічної обробки.

0. Лекція 1.4 Лекція 1.4Будова, маркування, властивості та застосування вуглецевих сталей і чавунів. Поняття про леговані сталі.

Мета: Ознайомити студентів із класифікацією, позначеннями і застосуванням вуглецевих сталей і чавунів, легованих сталей, впливом легуючих елементів на структуру, властивості та фазові перетворення в сталі.

1. Класифікація сталей за наступними ознаками:

а) хімічним складом;

б) призначенням;

в) якістю;

г) способом виробництва;

д) будовою;

е) способами розкислення.

2. Поняття про вуглецеві сталі. Їх класифікація, будова, властивості, позначення, застосування.

3. Переваги і недоліки вуглецевих сталей.

4. Поняття про чавуни, їх класифікація за видом зламу і структурою.

5. Вплив домішок чавуну на його структуру і властивості.

6. Сірі чавуни, їх хімічний склад, будова, властивості, застосування.

7. Ковкий та високоміцний чавуни. Способи їх виготовлення, хімічний склад, будова, властивості, позначення, застосування.

9 Поняття про леговану сталь.

10. Розподіл легуючих елементів у сталях.

11. Вплив легуючих елементів на властивості сталей.

12. Вплив легуючих елементів на фазові перетворення в сталі.

13. Класифікація легованих сталей.

14. Характеристика легованих конструкційних сталей, їх позначення і застосування.

15. Характеристика легованих інструментальних сталей, їх позначення і застосування.

16. Характеристика легованих спеціальних сталей, їх позначення і застосування.

17. Переваги і недоліки легованих сталей.

18. Класифікація кольорових металів.

19. Властивості і застосування міді та сплавів на її основі.

20. Властивості і застосування алюмінію та сплавів на його основі .

21. Титан і характеристика сплавів на основі титану.

22. Характеристика сплавів на основі магнію.