§ 2. Діаграма стану залізо-цементит

(метастабільна рівновага)

Діаграма показує фазову сполуку й структуру сплавів з концентрацією від чистого заліза до цементиту 6,67% С.

Система Fe-Fe₃C метастабільна. Утворення цементиту замість графіту дає менший виграш вільної енергії, але кінетичне утворення карбіду заліза більш імовірно.

Система Fe-З стабільна. Вона характерна для сплавів, у яких вуглець перебуває у вільному стані у вигляді графіту.

0,8 2,14 4,3 6,67

Рис. Діаграма стану Fe-Fe₃C.

Лінії й крапки діаграми.

Лінія АВСД – лінія ліквідус.

На лінії АВ з рідини випадають кристали -феррита. На лінії ВР із рідини випадають кристали аустеніту , а на лінії СД - первинного цементиту.

Лінія АНJECF - лінія солідус.

На лінії АН закінчується кристалізація -феррита й нижче її сплави перебувають у твердому стані зі структурою -феррита. Лінія HJB - лінія перитектического перетворення при температурі 1499?С.

Лінія ECF - лінія эвтектического перетворення.

Лінія NH – верхня границя існування двох фаз: -феррита й аустеніту, а лінія NJ – нижня границя, відповідає температурам закінчення перетворення -феррита в аустеніт.

Лінія GS – верхня границя існування -феррита й аустеніту, GP – нижня границя.

Лінія SE – лінія граничної розчинності вуглецю в -залозі, початок виділенняЦ_II.

Лінія PQ – лінія граничної розчинності вуглецю в -залозі, початок виділенняЦ_III.

Лінія PSK - лінія эвтектоидного перетворення аустеніту.

Крапки діаграми.

Позначення крапки	Температура ºС	Концентрація %С
A	1539	0
B	1499	0.51
H	1499	0.1
N	1499	0.16
J	1392	0
E	1147	2.14
C	1147	4.3
F	1147	6.67
D	1600	6.67
G	911	0
P	727	0.02
S	727	0.8
K	727	6.67
Q	20	0.006

§ 3. Первинна кристалізація сплавів.

Сплави заліза з вуглецем, у яких вуглецю втримується від 0,02% до 2,14%, називаються сталями.

Сплави заліза з вуглецем, у яких вуглецю втримується від 2,14% до 6,67%, називаються чавунами.

Первинна кристалізація сталей

У сплавах лежачих левее крапки Н (0,1%З) кристалізація починається на лінії АВ виділенням з рідини кристалів -феррита. Закінчується кристалізація на лінії АН і нижче її сплави перебувають в однофазному стані у вигляді -феррита.

У сплавах, що містять від 0,1 до 0,16%З (т. Н и J) по лінії АВ починає виділятися -феррит. При

температурі 1499? відбувається перитектическая реакція (лінія HJ):

утвориться новий твердий розчин аустеніт і залишається надлишкова фаза – -феррит.

У сплаві, що містить 0,16% З (т. J) вихідні кристали -феррита в результаті взаємодії з рідкою фазою при перитектической реакції повністю перетворюється в аустеніт:

.

У сплавах утримуючих від 0,16% З до 0,51% (т. J і В) при перитектической температурі в результаті взаємодії між -ферритом і рідкою фазою утвориться аустеніт, але рідка фаза залишається, хоча й у меншій кількості:

.

У зв'язку із цим при температурах нижче лінії JВ сплав буде двофазний: аустеніт + рідина. Процес кристалізації закінчиться при досягненні температури лінії солідус JЕ. Після затвердіння сплави будуть мати однофазну структуру - аустеніт.

Сплави, що містять від 0,51% З до 2,14% Із кристалізуються в інтервалі температур, обмеженому лініями ВР і JE. Нижче лінії ВР сплав перебуває у двофазному стані - аустеніт + рідина. Сполука рідини змінюється по лінії ліквідус ВР, а сполука аустеніту - по лінії солідус JE. Після затвердіння сплави будуть мати структуру - аустеніт.

Первинна кристалізація чавунів

Ж.з

Ж.с.+ ж.з

А + Ц₁

Л → А + Ц₁

Первинна кристалізація чавунів характеризується утворенням эвтектики. У сплаві, що містить 4,3% З, називаному эвтектическим, при температурі 1147˚ у крапці Із із рідини відбувається попеременное виділення кристалів аустеніту й цементиту первинного. При цьому утвориться механічна суміш цих двох кристалів, що називається ледебуритом. Ледебурит має високу твердість і низьку пластичність і під мікроскопом виглядає у вигляді темних крапок на світлому полі.

У чавунах, що містять від 2,14%З до 4,3%З , називаних доэвтектическими, первинна кристалізація починається на лінії ВР виділенням з рідини кристалів аустеніту. Зі зниженням температури сполука рідини змінюється по лінії ліквідус ВР, а сполука аустеніту - по лінії солідус - JE.При досягненні температури 1147? рідина збагачується вуглецем , здобуває эвтектический сполуку й затвердевает з утворенням ледебуриту. Таким чином, структура доэвтектических чавунів після первинної кристалізації - аустеніт і ледебурит.

У чавунах, що містять від 4,3% до 6,67%З, називаних заэвтектическими, первинна кристалізація починається на лінії СД виділенням з рідини кристалів цементиту первинного. При цьому зі зниженням температури сполука рідини міняється по лінії ліквідус ДС і при досягненні эвтектической температури 1147? здобуває эвтектический сполука. Відбувається затвердіння эвтектики - ледебурит. Структура заэвтектических сплавів після первинної кристалізації - ледебурит і первинний цементит.