Лекція №4

Тема: Діаграма стану системи залізо-вуглець.

4.1 Компоненти діаграми стану системи залізо-вуглець.

4.2 Фази діаграми стану системи залізо-вуглець.

4.1 Компоненти діаграми стану системи залізо-вуглець.

При аналізі залізовуглецевих сплавів користуються двома діаграмами стану (рис. 1): метастабільною, що характеризує перетворення в системі залізо-цементит (суцільні лінії) та стабільною, яка характеризує перетворення в системі залізо-графіт (пунктирні лінії). Система залізо-графіт більш стабільна, ніж система залізо-цементит, тому що при нагріванні до високих температур цементит може розкластися на залізо та графіт, тобто переходить в більш стабільний стан. Ці діаграми є неповними (до 6,67%С). Це пояснюється тим, що на практиці використовуються сплави заліза з вуглецем (сталі та чавуни) із вмістом вуглецю до 5. . . 6 %.

Залізо, на основі якого формуються сплави, є поліморфним металом. В інтервалах температур від 1539°С (температура кристалізації заліза (т. А)) до 1392°С (т. N і нижче 911°С (т. G) існує  - Fe з ОЦК решіткою. В інтервалі температур від І392°С (т. N) до 911°С (т. G існує  - Fe з ГЦК решіткою.

4.2 Фази діаграми стану системи залізо-вуглець.

Вуглець може розчиняється в обох модифікаціях заліза. Твердий розчин вуглецю в  - Fe називається феритом (Ф). Максимальна розчинність (максимальний вміст вуглецю у високотемпературній модифікації  - Fe дорівнює 0,1%С (т. Н), а в низькотемпературній 0,02%С (т. Р). Твердий розчин вуглецю в  - Fe має назву аустеніт (А). Максимально можливий вміст вуглецю в аустеніті склалась 2,14% (т. Е). Залізо з вуглецем можуть утворювати хімічну сполуку карбід заліза Fe3С, що має назву цементит (Ц). Цементит вміщує 6,67%С, має складну орторомбічну гратку і на діаграмі йому відповідав вертикальна лінія DFKL. У рідкому стані залізо та вуглець утворюють необмежений рідкий розчин, область існування якого на діаграмі розташована вище лінії ліквідусу АВСD (АВС'D'). Лінія AHIECF (АНІЕ'С'F') - лінія солідусу, нижче якої всі сплави знаходяться в твердому стані.

У залізовуглецевих сплавах в залежності від їх складу та температури мають місце трифазні перетворення. Так, при температурі 1499°С (лінія НІВ) відбувається перитектичне перетворення, тобто рідина складу т. В взаємодіє з кристалами фериту складу т. Н з утворенням аустеніту складу т. І:

Р_В + Ф_Н → А_I

При температурі 1147 °С (лінія ЕСF) має місце евтектичне перетворення, коли рідка фаза складу т. С кристалізується з утворенням одночасно двох твердих фаз аустеніту складу т. Е та цементиту:

Р_с → Л ( А_Е + Ц_с)

Ця евтектична суміш аустеніту та цементиту, одержала назву ледебурит (Л). Нижче 727°С ледебурит складається з цементиту та перліту, тому що при температурі 727°С (лінія РSК) має місце евтектоїдне перетворення, коли аустеніт розкладається, утворюючи суміш фериту та цементиту, що зветься перлітом (П):

А_S → П (Ф_р + Ц_к)

Рис. 1. Діаграма стану залізо-цементит (вуглець).

У процесі первинної кристалізації, нижче лінії СD із рідкої фази, іде виділення цементиту, який називають первинним Ц. Лінії ЕS та РQ лінії сольвусу, тобто лінії граничної розчинності вуглецю в  - та  - Fе відповідно. Тому при температурах нижче цих ліній з аустеніту та фериту йде виділення відповідно вторинного цементиту Ц_ІІ та третинного цементиту Ц_ІІІ. В інтервалі температур між лініями GS та GР відбувається нижнє поліморфне перетворення: аустеніту на ферит (при охолодженні) чи фериту на аустеніт (при нагріванні), що пов'язано з перебудовою кристалічних решіток ГЦК в ОЦК. Подібне перетворення відбувається також в інтервалі температур між лініями NI та NН (верхнє поліморфне перетворення).

Питання для самоперевірки:

1. Чим можна пояснити велику розчинність вуглецю в – залізі порівняно з – залізом?

2. Які фази виникають в системі Fe–Fe₃C і Fe–C?

3. Побудуйте криві охолодження для доевтектоідної і заевтектоїдної сталі і для доевтектоідного чавуну?

4. Як структурний і фазовий склад сталі і чавуну залежить від вмісту вуглецю і температури?

5. Вказати основні фактори, що впливають на процес графітизації.

6. Як впливає вуглець на конструктивну міцність сталі?

7. Чому сірка, фосфор, кисень і водень належать до шкідливих домішок в сталях.