Діаграма стану Fe-c.

Мета роботи: вивчення мікроструктури та властивостей залізовуглецевих сплавів.

Прилади та обладнання: зразки сплавів Fe-C, мікроскоп МИМ-7.

Теоретична частина

Компоненти системи залізо-вуглець.

Залізо – поліморфний метал. До 911⁰ С воно існує у вигляді α -модифікації, що має кубічну об’ємноцентровану решітку (рис. 1, а). Вище 911⁰ С α – модифікація переходить в γ- модифікацію із кубічною гранецентрованою решіткою (рис.1,б), стійкою до 1399⁰С. Вище 1399⁰ С знову стійка кубічна об’ємноцентрована решітка (Fe-δ) (див. рис. 1,а), що зберігається до температури плавлення заліза 1536⁰С. Вище цієї температури залізо перебуває в рідкому стані .

Вуглець також поліморфний і зустрічається в природі у вигляді алмаза й графіту. Алмазна модифікація вуглецю в залізовуглецевих сплавах виявляється лише при великих тисках. Кристалічна решітка алмаза надана на рис. 2, б.

Графіт, що кристалізується в залізовуглецевих сплавах, має шарувату будову (рис. 2, а). У кожному шарі між атомами діють сильні ковалентні зв'язки. Діючі між шарами поляризаційні зв'язки слабкі, і тому шари легко зміщуються один щодо одного.

В останні десятиріччя 20 століття було передбачено (1985 р.), а потім і штучно отримано (1990 р.) ще один агрегатний стан вуглецю – фуллерени, які отримали свою назву за ім’ям американського архітектора, винахідника «геодезичного купола» Бакмінстера Фуллера. Молекула фуллерена складається з 60 атомів вуглецю, зчеплених між собою в полу сферу діаметром біля 1 нм, яка нагадує футбольний м’яч (рис. 3). В подальшому були відкриті і інші форми молекул-фуллеренів: «цибулини», сфероїди, трубки та ін. Вважають, що фуллерени можуть грати суттєву роль при структуроутворенні в високовуглецевих сплавах заліза.

Для вивчення структурних складових залізовуглецевих сплавів розглянемо діаграму стану Fe-C (рис. 4.). Особливість діаграми пов'язана з існуванням двох форм вуглецю - графіту (стабільна фаза ) і хімічної сполуки Fe₃C- цементиту (метастабільна фаза ).

а) б)

Рис 1. а- кубічна об’ємноцентрована решітка - і - модифікацій заліза ; б - кубічна гранецентрована решітка - модифікації заліза.

а) б)

Рис2. Просторове впакування графіту (а) і алмазу (б)

Рис. 3. Молекула бакмінстерфуллерена С₆₀.

Сплав, який містить до 0,006% вуглецю є однофазним і має структуру фериту. Ферит - твердий розчин проникнення вуглецю в δ-Fe ( високотемпературний δ-ферит ) або в α-Fe ( низькотемпературний α -ферит ). При кімнатній температурі розчинність вуглецю в α -фериті дорівнює 0,006%, що обумовлює його властивості: низьку твердість ( 60-90НВ ) і міцність ( σ_м= 200-250 МПа ), та високу пластичність ( δ= 60-75%).

Сплави, які містять при кімнатній температурі більше 0,02% вуглецю мають структуру перліту ( Ф+ Ц евтектоїду). Перліт складається з феритної матриці (Ф), у якій розташовані пластинки цементиту (Ц). Кількість перліту збільшується пропорційно збільшенню вмісту вуглецю, одночасно підвищуються механічні властивості сплаву ( 160-230НВ, σ_м= 650-900 МПа, δ=16%).

Цементит - хімічна сполука, карбід заліза Fe₃C ( твердість 750-820НВ, міцність - до 30 МПа ). Особливість цементиту полягає в його метастабільності: при нагріві Fe₃C розкладається на залізо і графіт, що використовується при виробництві ковкого чавуну.

Графіт - модифікація вуглецю. Графіт у залізовуглецевих сплавах майже чистий вуглець, а його властивості - дуже низка твердість і міцність, він може гасити вібрацію, що використовується при застосуванні чавунів.

Рис.4. Діаграма стану системи Fe-C.

При температурі вище 727ºC у структурі Fe-C сплавів з'являється нова фаза. Аустеніт - твердий розчин проникнення вуглецю в γ-Fe ( назву одержано за ім'ям Робертса Аустена ). Легування ( хромонікелеві, марганцевисті сталі ) може призводити до стабілізації аустеніту при кімнатній температурі. Аустеніт (А), як і ферит (Ф), дуже пластична фаза, але має більшу твердість ( 160-200 НВ).

Координати точок діаграми Fe-C наведені в таблиці 1.

Залізовуглецеві сплави з концентрацією вуглецю менше 2,14% називають сталями. За структурою сталі поділяють на доевтектоїдні (ферито-перлітні, від 0,03 до 0,8%С ), евтектоїдні ( перлітні, 0,8%С ), заевтектоїдні ( перліто-цементитні, від 0,8 до 2,14%С ). Мікроструктура сталі з різним вмістом вуглецю наведена на рис.5.

Найбільш важливі точки перетворень в сталі називають критичними точками. Ці точки позначають літерою «А», біля якої ставлять індекс «с» (процес нагріву) або «r» (процес охолодження), за якими йде цифрове позначення критичної точки ( див. таблицю 2).

Сплави з концентрацією вуглецю більше 2,14% називають чавунами. Чавуни поділяються на білі ( при твердінні яких виділяється цементит- Ц ), сірі ( при твердінні яких виділяється графіт - Г) і половинчасті (Ц+Г). Білі чавуни поділяються на доевтектичні (С < 4,3 %), евтектичні (4,3%С), заевтектичні (С > 4,3%).

У структурі білих чавунів виникає евтектика, яка одержала назву ледебурит ( за ім'ям Альфреда Ледебура ). При температурі менше 727ºC структура складається з перліту та цементиту (П+Ц), від 727 ºC до евтектичної температури 1147 ºC - з аустеніту та цементиту (А+Ц).

Таблиця1

Координати основних точок діаграми Fe-C

Стабільна рівновага			Метастабільна рівновага
точка	Т, ºС	С, %	точка	Т, ºС	С, %
A	1539	0	A	1539	0
B	1499	0,50	B	1499	0,50
C'	1153	4,26	C	1147	4,30
N	1392	0	N	1392	0
H	1499	0,10	H	1499	0,10
J	1499	0,16	J	1499	0,16
E'	1153	2,01	E	1147	2,14
G	911	0	G	911	0
S'	738	0,68	S	727	0,80
P'	738	0,02	P	727	0,02
Q	20	0,006	Q	20	0,006

Рис.5. Мікроструктура сталі: а) доевтектоїдна (ферит (світле поле) + перліт(темне поле)), б) евтектоїдна (пластинчастий перліт), в) заевтектоїдна (цементит (світле поле) + перліт), г) евтектоїдна (зернистий перліт), х250.

Таблиця 2

Критичні точки сталі

Точка	Лінія діаграми	Фазове перетворення
А0	210 ºС	Втрата магнітних властивостей цементиту при нагріві і набування при охолодженні
А1	PSK	Евтектоїдне перетворення (АS↔П)
А2	768 ºС	Втрата магнітних властивостей заліза при нагріві і набування при охолодженні
А3	GS	Поліморфне перетворення α- Fe ↔γ- Fe
А4	NH	Поліморфне перетворення γ- Fe ↔δ- Fe
Аm	SE	Розчинення вторинного цементиту при нагріві і його виділення при охолодженні (А2,14↔ЦII+АS)

а) б) в)

Рис.6. Мікроструктури білого чавуну: а) заевтектичного ( цементит первинний Ц_I (пластини) + ледебурит Л (світле поле)), б) доевтектичного

( перліт П (темне поле) + ледебурит Л + цементит вторинний Ц_II ),

в) евтектичного ( ледебурит Л ), х200.

Порядок виконання роботи:

Завдання 1.

1. Підготувати зразки.

2. За допомогою мікроскопа ознайомитись з мікроструктурою.

3. Замалювати мікроструктури в лабораторному зошиті.

4. Скласти звіт.

Завдання 2.

1. Проаналізувати структурні перетворення за метастабільною діаграмою стану Fe-C. Сплав задається викладачем.

2. Проаналізувати мікроструктуру та властивості заданого сплаву.

3. За правилом важеля визначити співвідношення фаз при заданій викладачем температурі.

4. Скласти звіт.

Дайте відповіді на запитання:

1. Що таке білі чавуни, на які групи їх поділяють за діаграмою Fe-C?

2. Охарактеризувати однофазні структури Fe-C сплавів.

3. Що таке сталі, на які групи їх поділяють за діаграмою Fe-C?

4. Охарактеризувати двохфазні структури Fe-C сплавів.

5. Що таке критичні точки, як їх позначають?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №7.