Залізовуглецеві сплави Діаграма стану залізовуглецевих сплавів. План:

1. Компоненти, фази і структурні складові сталей і чавунів.

2. Діаграма стану залізо-цементит.

3. Первинна і вторинна кристалізація.

4. Діаграма стану залізо-графіт.

Серед діаграм стану металевих сплавів найбільше значення має діаграма Fe-C. Це пояснюється тим, що в техніці, серед металевих матеріалів найбільш широко застосовують сплави заліза з вуглецем (сталі і чавуни). Приблизно 93% конструкційних матеріалів, що використовуються у світі, складають сталі і чавуни.

Існує дві діаграми стану залізовуглецевих сплавів: метастабільна Fe-Fe₃С і стабільна Fe-C.

Для всіх низьковуглецевих сплавів (сталей) перетворення при кристалізації проходять відповідно до метастабільної діаграми. У високовуглецевих сплавах (чавунах) перетворення при первинній кристалізації часто йдуть по стабільній діаграмі, а при подальшому охолодженні у твердому стані по метастабільній діаграмі.

Діаграма стану залізо-вуглець розглядає сплави, що містять до 6,67%С (100% Fе₃C). На діаграмі стану суцільні лінії представляють систему залізо-цементит (Fе₃C), а пунктирні систему залізо-графіт, тому що вуглець у сплавах може знаходитися у вигляді цементиту і у вигляді графіту.

Компонентами діаграми стану сплавів залізо-вуглець є С та Fе.

Залізо. Чисте залізо - метал сріблясто-білого кольору. Атомний номер - 26. Атомний радіус 1,27А. Залізо широко поширене в природі. У земній корі його міститься 5,1%. Чисте залізо містить 99,999% Fе. Технічне залізо (Армко) містить 99,8-99,9% Fе. Температура плавління Fe = 1539С. Залізо має дві поліморфні модифікації:  і . Густина -заліза 7,68г/см³, а Fe_ - 8,0 8,1 г/см³. При перетворенні Fе_ в Fе_ відбувається стиснення матеріалу. Об'ємний ефект стискання складає 1,0%.

Вуглець. Є неметалічним елементом. Атомний номер – 6, атомний радіус 0,77А. Густина - 2,5 г/см³. Т_пл–3500^оС. Існує у двох модифікаціях: графіт і алмаз. У звичайних умовах стійкою алотропічною формою є графіт. Вуглець розчиняється в залізі в рідкому й твердому стані, а також утворює хімічну сполуку Fе₃С – карбід Fе (цементит).

Фазами в сплавах заліза з вуглецем є : рідкий розчин, тверді розчини ферит і аустеніт, а також цементит і графіт.

Ферит (Ф) - твердий розчин впровадження вуглецю в -залізі. Має ОЦК-гратку, розчинність вуглецю в якій мала. Розрізняють низькотемпературний -ферит, з розчинністю С до 0,02% і високотемпературний -ферит, з питомою розчинністю С до 0,1%. Атом вуглецю розташовується в гратці фериту в центрі грані куба, а також у вакансіях, на дислокаціях. Це м’яка, пластична фаза. Нелегований ферит має такі механічні властивості: _в=-25 30 кгс/мм²; =50%; =80%; _н=25кгс/см²; НВ=80 90 кгс/мм².

Ферит є магнітним і пластичним, має зернисту будову. Під мікроскопом виявляється у вигляді світлих поліедричних зерен. Аустеніт(А) - твердий розчин впровадження вуглецю в -залізі. Має ГЦК-гратку. Питома розчинність вуглецю в - залізі - 2,14% (при Т=1147^оС). Аустеніт не має магнітних властивостей, твердість аустеніту НВ=100 220 кгс/мм².

Цементит (Ц) (карбід заліза) - хімічна сполука заліза з вуглецем (Fe₃C). В цементиті 6,67% вуглецю - інше залізо. Має складну ромбічну гратку з щільним упакуванням атомів. Цементит твердий (НВ=800 кгс/мм²), НRС 70 і крихкий. Т_пл.=1550°С. До температури 210°С цементит феромагнітний. Цементит метастабільна фаза. В умовах рівноваги в сплавах з високим вмістом вуглецю утворюється графіт.

Графіт - вуглець у вільному стані. Графіт має гексагональну шарову кристалічну гратку (а =1,42Å, с=3,40Å). Графіт є електропровідний, хімічно стійкий, маломіцний, м’який (НВ=3кгс/мм²). Структурні складові - ледебурит і перліт - не однорідні і являють собою механічні суміші (евтектика та евтектоїд).

Ледебурит - евтектична суміш аустеніту і цементиту. Утворюється в процесі первинної кристалізації при Т=1147°С, мінімальній температурі кристалізації для сплавів Fe-C. Ледебурит містить 4,3% С. При температурі нижче 727°С складається з перліту і цементиту, НВ=700 кгс/мм².

Перліт - (евтектоїд) - механічна суміш фериту й цементиту. Перліт містить 0,8% С, утворюється при температурі 727°С в процесі розпаду аустеніту:

Fe(C) → Feα(C) + Fe3C

↑ ↑ ↑

аустеніт ферит цементит

В залежності від форми частинок цементиту розрізняють перліт пластинчастий і зернистий.

Лінія АВСД – лінія ліквідус. Вище лінії ліквідус сплави знаходяться в рідкому стані та утворюють одну фазу - рідкий розчин. Лінія АНIECF - солідус: вище цієї лінії сплави існують у двохфазному твердо-рідкому стані, поряд з рідким розчином в них присутній аустеніт (область ІІ) або первинний цементит (область III). У сплавах із вмістом вуглецю менше 2,14% після первинної кристалізації утворюється тільки одна фаза - твердий розчин впровадження вуглецю в γ-Fe - аустеніт (область ІV). На лінії ECF, яка відповідає сталий температурі 1147^оС із сплаву вмістом 4,3% С, будуть виділятися одночасно аустеніт і цементит, утворюючи евтектику (ледебурит). Після первинної кристалізації в сплавах із вмістом С > 2% утвориться евтектична суміш ледебуриту з надлишковим аустенітом (область VII) або надлишковим первинним цементитом (область ХII). При подальшому охолодженні в області 7 з аустеніту виділяється цементит вторинний.

У сплавах зі вмістом С< 0,5% при високих температурах, коли залізо існує у вигляді Fe_δ, процес первинної кристалізації протікає з перитектичним перетворенням. Залізо при температурах, які лежать між точками А(плавлення) і відповідною точкою А₄ ,існує у вигляді Fe_δ. В області АHN існує одна фаза - твердий розчин вуглецю в Fe_δ. Розчинність вуглецю в Fe_δ невелика і складає 0,1% при температурі 1499С (точка Н).

Д

Мал. 26

іаграма стану залізо-цементит

Виділення δ - твердого розчину з рідкого відбувається по лінії АВ в області АНВ. Існують дві фази: рідкий розчин і твердий розчин. При температурі, що відповідає горизонтальній лінії НIВ(1499^оС), у сплавах з концентрацією вуглецю від 0,1 до 0,5% протікають перитектичні перетворення, коли розплав, реагуючи з δ-твердим розчином, утворює γ-твердий розчин, в області NНI існують обидва твердих розчини – δ і γ. Через те, що перитектичні перетворення протікають у сплавах Fe-Fe₃C при високих температурах і у малому інтервалі концентрації вуглецю, практичного значення вони не мають.