Тема 4.1. Діаграма стану залізо-цементит

План

1. Компоненти і фази в системі Fe-Fe₃C, їх характеристика.*

2. Побудова діаграми стану Fe-Fe₃C. Призначення ліній і точок.**

3. Структурні складові системи Fe-Fe₃C.**

4. Класифікація залізовуглецевих сплавів.*

5. Перетворення, які проходять в залізовуглецевих сплавах при охолодженні.**

Серед металічних конструкційних матеріалів найпоширеніші і найважливіші – сплави заліза з вуглецем – сталі і чавуни. Тому діаграма стану залізо-цементит має велике теоретичне і практичне значення.

Компоненти системи Fe-Fe₃C – залізо і вуглець.

Залізо – метал з температурою плавлення t_пл = 1539^оС і густиною ρ = 7,8 г/см³. Має добру пластичність, невисоку міцність, малу твердість. Має дві алотропічні модифікації: Fe_α (ОЦК) при t = 1392-1539^оС та t <911^оС; Fe_γ (ГЦК) при t = 911-1392^оС. Залізо має магнітні властивості до t =768^оС.

Вуглець – неметал; розчиняється в залізі в рідкому і твердому стані; в сплавах може бути у вигляді твердих розчинів, графіту або хімічної сполуки Fe₃C – цементиту. Має гексагональну кристалічну решітку; неміцний, непластичний, t_пл = 3500^оС; ρ = 2,25 г/см³.

Фази системи Fe-Fe₃C – рідкий розчин заліза і вуглецю (Р), ферит (Ф), аустеніт (А) і цементит (Ц).

Ферит – твердий розчин проникнення вуглецю в α-залізі. Низькотемпературний ферит містить максимум 0,02% вуглецю. При нормальній температурі містить 0,006% вуглецю. Кристалічна решітка фериту – ОЦК. Властивості фериту: НВ 80-90; σ_В = 250 МПа; δ = 50%.

Аустеніт – твердий розчин проникнення вуглецю в γ-залізі. Максимальний вміст вуглецю: 2,14% при t = 1147^оС; 0,8% при t = 727^оС. Кристалічна решітка аустеніту – ГЦК. Властивості аустеніту: НВ 180-200; δ = 40-50%, немагнітний.

Цементит – хімічна сполука заліза з вуглецем Fe₃C. Вміст вуглецю – 6,67%. Кристалічна решітка – ромбічна. Властивості цементиту: HV1000, HRC70, HB800, δ = 0% (дуже твердий і крихкий), t_пл = 1250-1600^оС (в залежності від хімічного складу).

Діаграма стану Fe-Fe3c

Призначення ліній і точок діаграми (рис.4.1):

точка А – температура плавлення чистого заліза (1539^оС);

точка D – температура плавлення цементиту (близько 1250^оС);

Рисунок 4.1. Діаграма стану залізо-цементит.

АСD – лінія ліквідус; AECF – лінія солідус.

Точка Е – максимальна розчинність вуглецю в γ-залізі – 2,14 % при t = 1147^оС.

По лінії АС з рідкого розчину випадають кристали аустеніту;

по лінії СD з рідкого розчину випадають кристали цементиту (первинного) (Ц_І).

В точці С при 4,3 % вуглецю і t = 1147^оС з рідкого сплаву одночасно кристалізується аустеніт і цементит з утворенням евтектики – ледебуриту (Л).

ECF – лінія евтектичного перетворення.

По лінії АЕ закінчується кристалізація з утворенням аустеніту.

По лінії ЕС кристалізуються сплави з утворенням ледебуриту і аустеніту.

По лінії СF кристалізуються сплави з утворенням ледебуриту і цементиту.

Перетворення в твердому стані (вторинна кристалізація):

Точка G – поліморфне перетворення Fe_γ в Fe_α при t = 911^оС.

Точка S – мінімальна температура існування аустеніту (727^оС); розчинність вуглецю в аустеніті при 727^оС (0,8 %).

Точка Р – максимальна розчинність вуглецю в Fe_α (0,02 % при t = 727^оС).

Точка Q – розчинність вуглецю в Fe_α при кімнатній температурі (0,006 %).

По лінії GS аустеніт перетворюється на ферит;

по лінії SE з аустеніту випадає вторинний цементит по границях зерен аустеніту–Ц_ІІ;

SE – лінія граничної розчинності вуглецю в Fe_γ від 1147^оС до 727^оС.

В точці S при 0,8 % вуглецю і t = 727^оС аустеніт розпадається з одночасною кристалізацією тонкої механічної суміші фериту і цементиту – евтектоїду. Він називається перліт (П).

PSK – лінія евтектоїдного перетворення.

Лінія PQ – зменшення розчинності вуглецю в Fe_α із зниженням температури. Нижче лінії PQ з фериту виділяється надлишковий вуглець у вигляді цементиту третинного – Ц_ІІІ.

Структурні складові системи Fe-Fe₃C – перліт і ледебурит.

Перліт – евтектоїдна суміш фериту і цементиту. Утворюється при температурі менше 727^оС, вміст вуглецю 0,8 %.

Ледебурит – евтектична суміш аустеніту і цементиту. Утворюється при t = 1147-727^оС. При температурі менше 727^оС аустеніт перетворюється на перліт, тоді ледебурит складається з перліту і цементиту; вміст вуглецю 4,3 %.

Аустеніт Ледебурит

Перліт (пластинчастий і зернистий) Ферит

Рисунок 4.2. Мікроструктура фаз і структурних складових системи Fe-Fe₃C

Всі залізовуглецеві сплави, що мають в результаті первинної кристалізації структуру аустеніту і не більше 2,14 % вуглецю, називаються сталями.

Всі залізовуглецеві сплави, що мають в результаті первинної кристалізації структуру ледебуриту і більше 2,14 % вуглецю, називаються чавунами.

Сталі, що мають вміст вуглецю до 0,8 % (лівіше точки S) – доевтектоїдні сталі.

Сталь, яка містить 0,8 % вуглецю – евтектоїдна сталь.

Сталі, що мають вміст вуглецю від 0,8 до 2,14 % (правіше точки S) – заевтектоїдні сталі.

Чавуни, що містять від 2,14 до 4,3 % вуглецю (лівіше точки С) – доевтектичні чавуни.

Чавуни, що містять 4,3 % вуглецю – евтектичні чавуни.

Чавуни, що містять більше 4,3 % вуглецю (правіше точки С) – заевтектичні чавуни.

Перетворення при охолодженні

1. Доевтектоїдної сталі (менше 0,8 % вуглецю):

вище лінії АС – рідкий розчин;

нижче лінії АС – з рідини виділяються кристали аустеніту

(С=К+1–Ф=2+1-2=1 – при змінній температурі);

нижче лінії АЕ сплав повністю твердий – тверді кристали аустеніту

(С=2+1-2=1- при змінній температурі);

між лініями АЕ і GS – охолодження твердого аустеніту;

нижче лінії GS – аустеніт починає перетворюватись на ферит (С=2+1-2=1);

при t = 727^оС – відбувається евтектоїдне перетворення аустеніту А→Ф + Ц (С=2+1-3=0 – при сталій температурі);

при нормальній температурі сталь має структуру Ф+П.

2. Евтектоїдної сталі (0,8 % вуглецю):

Нижче лінії АС з рідини випадають кристали аустеніту;

нижче лінії АЕ – повністю твердий аустеніт;

в точці S при t = 727^оС – аустеніт розпадається на ферит і цементит, що утворюють евтектоїдну суміш – перліт;

при нормальній температурі сталь має структуру перліта – П.

3. Заевтектоїдної сталі (більше 0,8 % вуглецю):

по лінії АС – початок кристалізації аустеніту (С=2+1-2=1);

по лінії АЕ – кінець кристалізації аустеніту (С=2+1-2=1);

нижче лінії SE – з аустеніту виділяється цеметит вторинний (С=2+1-2=1);

при t = 727^оС (лінія PSK) – аустеніт розпадається на ферит і цементит, утворюючи перліт: А→Ф + Ц (перліт) (С=2+1-3=0);

при нормальній температурі сталь має структуру П+Ц.

Рисунок 4.3. Мікроструктура сталей з різним вмістом вуглецю.

4. Доевтектичного чавуну (менше 4,3 % вуглецю):

вище лінії АС – рідкий розчин;

по лінії АС – з рідини випадають кристали аустеніту (С=2+1-2=1);

при t = 1147^оС (лінія ECF) – розплав містить 4,3 % вуглецю і кристалізується з утворенням евтектики – ледебуриту: Р → Л (А+Ц) (С=2+1-3=0);

нижче лінії ECF з аустеніту виділяється цементит вторинний;

при t = 727^оС (лінія PSK) – аустеніт (0,8 % С) розпадається на ферит і цементит, утворюючи перліт (С=2+1-3=0);

при нормальній температурі чавун має структуру П+Л(П+Ц)+Ц_ІІ.

5. Евтектичного чавуну (4,3 % вуглецю):

при t = 1147^оС – рідина кристалізується з утворенням ледебуриту (евтектичне перетворення) (С=2+1-3=0);

при охолодженні до t = 727^оС (лінія PSK) – аустеніт розпадається з утворенням перліту (С=2+1-3=0);

структура чавуну при t > 727^оС – ледебурит (А+Ц);

при t < 727^оС – ледебурит (П+Ц).

6. Заевтектичного чавуну (більше 4,3 % вуглецю):

по лінії CD – з рідини виділяються кристали цементиту первинного

(С=2+1-2=1);

при t = 1147^оС – рідина з вмістом 4,3 % вуглецю кристалізується з утворенням ледебуриту (С=2+1-3=0);

при t = 727^оС – аустеніт перетворюється на перліт (евтектоїдне перетворення) (С=2+1-3=0);

при нормальній температурі структура чавуну – Ц_І + Л(П+Ц).

Рисунок 4.4. Мікроструктура доевтектичного, евтектичного та заевтектичного чавунів.

Контрольні питання:

1. Охарактеризуйте компоненти системи Fe-Fe₃C.

2. Охарактеризуйте фази системи Fe-Fe₃C:

2.1 Ферит

2.2 Аустеніт

2.3 Цементит

3. Розгляньте діаграму стану -Fe₃C:

3.1 В рідкому стані:

3.1.1 Що характеризують точки А и D?

3.1.2 Розгляньте лінії ліквідус та солідус.

3.1.3 Що характеризує точка Е?

3.1.4 Що випадає з рідкого розчину по лініях АС та СD?

3.1.5 Що кристалізується в точці С?

3.1.6 Як називається лінія ЕСF?

3.1.6 Що кристалізується по лініях АЕ, ЕС та СF?

3.2 В твердому стані:

3.2.1 Що відбувається в точці G?

3.2.2 Що характеризують точки S, Р, Q?

3.2.3 Що випадає по лінії SЕ?