7.Діаграма стану системи сплавів залізо-вуглець

Залізо і вуглець, як компоненти системи залізо-вуглець, можуть утворю­вати ряд хімічних сполук (Ре₃С, Ре₂С, РеС), тому загальна система залізо-вуглець складається з ряду окремих систем, в яких хімічні сполуки відігра-оть роль компонентів.

На практиці застосовуються залізовуглецеві сплави, в яких вміст вугле-дю не перевищує 5%. Тому практичне значення має тільки частина загальної :истеми, в якій кількість вуглецю не перевищує 6,67%. Це система залізо-дементит, що містить Ре₃С.

Вуглець, взаємодіючи із залізом, може утворювати тверді розчини та хі­мічні сполуки. Діаграма залізо-вуглець має складний вигляд, це пояснюється гим, що залізо, яке утворює алотропічні модифікації, визначає при зміні тем-іератури структурні перетворення у твердому стані залізовуглецевих сплавів.

Компоненти, фази і структурні складові системи залізо-вуглець.

Перш ніж розглядати діаграму залізо-вуглець у загальному вигляді, важливо розглянути компоненти, фази і структурні складові, що утворюються в залі­зовуглецевих сплавах.

Компонентами, що утворюють систему залізо-вуглець, є залізо, вугле­ць та цементит.

З алізо — метал сріблясто-білого кольору, атомний номер 26, атомний радіус 1,27 А, температура плавлення 1539°С. Залізо має чотири алотропічні модифікації. Графік охолодження чистого заліза представлений на рис. 2.1. Закристалізоване при температурі 1539°С залізо утворює об'ємноцентровану кубічну решітку і називається 5-залізом (Ре₅). При температурі 1392°С з 5-заліза утворюється у-залізо (Ре_г), що має гранецентровану кубічну решітку. При температурі 91ГС у-залізо перетворюється в Р-залізо (Ре_р), яке при тем­пературі 768°С в свою чергу, перетворюється в а-залізо (Ре_а). Обидві моди­фікації (Ре_р і Ре_а) мають об'ємноцентровану кубічну решітку, але на відміну від р-залізо, а-залізо має феромагнітні властивості.

Рис. 2.1. Крива охолодження чистого заліза

Густина алотропічних модифікацій заліза різна: якщо густина а-заліза дорівнює 7,68 г/см³, то густина у-заліза, отримана екстраполіруванням при 20°С, зростає до 8,10 г/см³. Чисте залізо характеризується суттєвою пластич­ністю і невисокою твердістю (~~НВ 60).

Вуглець — неметалевий елемент, атомний номер 6, атомний радіус 0,77А, температура плавлення 3500°С. Він може існувати в аморфному і кри-

сталічному станах, а також утворює алотропічні модифікації, основними з яких є алмаз та графіт.

У залізовуглецевих сплавах вуглець присутній у твердих розчинах, в хі­мічно зв'язаному стані (цементиті), а в сплавах з високим вмістом вуглецю може виділятися у вигляді графіту.

Цементит — хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза РезС), в якому міститься 6,67% вуглецю, має складну щільнозапаковану ромбічну кристалічну решітку. Температура плавлення цементиту близько 1600°С. Алотропічних перетворень цементит не зазнає, але при низьких температурах має феромагнітні властивості, які втрачає при нагріванні вище 210 °С. Цеме­нтит є метастабільною (нестійкою) фазою і у сплавах з високим вмістом вуг­лецю за певних умов розпадається з виділенням вуглецю у вигляді графіту. Цементит відрізняється надзвичайно низькою, практично нульовою, пласти­чністю і дуже високою твердістю (~ НВ 800).

До фаз, які утворюються в системі залізо-вуглець, відносяться: рідкий сплав, аустеніт, ферит, цементит і графіт.

Рідкий сплав — фаза, що є рідким розчином вуглецю в залізі. У рідко­му стані залізо з вуглецем утворюють рідкий розчин з необмеженою розчин­ністю.

Аустеніт — твердий розчин (укорінення) вуглецю в у-залізі. Максима­льна розчинність вуглецю в аустеніті досягає 2,14% при температурі 1147°С.

Із зниженням температури розчинність вуглецю різко знижується і при температурі 727°С складає всього 0,81 %.

Ферит — твердий розчин (укорінення) вуглецю в а-залізі. Розчинність вуглецю у фериті значно нижча, ніж в аустеніті; це пояснюється тим, що а-залізо має об'ємноцентровану кристалічну решітку, в якій центр куба зайня­тий атомом заліза. Максимальна розчинність вуглецю у фериті при темпера­турі 727°С складає 0,02%, а при кімнатній температурі — не перевищує 0,006%. Ферит — м'яка і пластична фаза, його твердість ~ НВ 80.

Цементит, будучи компонентом системи, також є і фазою, оскільки однорідний за своїм складом та властивостями і має чітко виражену межу розділу.

Графіт як фаза зустрічається в сплавах з високим вмістом вуглецю (в чавунах) і має звичайну гексагональну кристалічну решітку. Графіт м'який і має низьку міцність, електропровідність.

Структурні складові — ледебурит і перліт — утворюються з фаз систе­ми і є механічними сумішами.

Ледебурит — механічна суміш аустеніту і цементиту, що містить 4,3% вуглецю і кристалізується при постійній температурі 1147°С. Отже, ледебу­рит є евтектикою, що включає дві фази: аустеніт і цементит. При охолоджен­ні нижче 727°С ледебурит видозмінюється. Видозмінений ледебурит є меха­нічною сумішшю цементиту і перліту, на який перетворюється аустеніт. Тве­рдість видозміненого ледебуриту коливається від НВ 530 до НВ 550.Перліт — механічна суміш фериту і цементиту, що містить 0,81% вуг­лецю і утворюється при постійнійтемпературі 727°С з аустеніту при його охолодженні. Перліт має всі властивості евтектики, але на відміну від леде­буриту називається евтектоїдом, оскільки утворюється з твердого, а не з рід­кого розчину. Перліт зазвичай має пластинчасту буДову (цементит виділяєть­ся у вигляді пластин). Твердість перліту становить ~ НВ 180. Проте в залізо­вуглецевих сплавах може зустрічатися й інший різновид перліту — зернис­тий перліт, у якого в результаті спеціальної термічної обробки (відпал на зер­нистий перліт) цементитні включення коагулюються і набувають округлу (зе­рнисту) форму. Зернистий перліт дещо м'якший і пластичніший пластинчас­того перліту.

Побудова діаграми стану сплавів системи залізо-вуглець

Діаграма стану сплавів заліза з вуглецем (рис. 2.2) будується в звичай­них координатах: температура Г, °С — концентрація, %. Точки А і В вказу­ють температури затвердіння (плавлення) відповідно чистого заліза та цеме­нтиту. Крива АСИ — лінія ліквідує, вище за яку всі сплави знаходяться в рідкому стані. Нижче за лінію АС з рідкого сплаву виділяється аустеніт, а нижче лінії СО - цементит, що називається первинним. Крива А ЕС Г — лінія солідус; нижче цієї лінії всі сплави знаходяться в твердому стані. Точка Е на лінії солідус характеризує граничну розчинність вуглецю (2,14%) в аустеніті при температурі 1147°С. Лінія ЕСЕ — лінія евтектичного перетворення, на якій з рідкого сплаву одночасно кристалізуються частинки аустеніту з гра­ничною концентрацією вуглецю і цементиту, утворюючи евтектичну суміш — ледебурит. Точка С характеризує алотропічне перетворення заліза Ре_у<-»Ре_р при температурі 911°С. Лінія Е5> показує зменшення розчинності ву­глецю в аустеніті із зниженням температури (від 2,14% при температурі 1147°С до 0,81% при температурі 727°С). Нижче за цю лінію з аустеніту ви­діляється цементит, що називається вторинним, оскільки утворюється з твер­дого розчину — аустеніту. Первинний і вторинний цементити нічим не відрі­зняються один від одного, але називаються вони по-різному, щоб підкресли­ти відмінність характеру утворення.

Лінія С5 характеризує початок виділення фериту з аустеніту при охоло­дженні доевтектоїдних сплавів. Точка Р характеризує граничну розчинність вуглецю в а-залізі (0,02%) при температурі 727°С. На лінії Р8К відбувається перетворення аустеніту при постійній температурі 727°С в евтектоїд, що складається з фериту і цементиту.

Оскільки аустеніт міститься і в сплавах, що мають більше 2,14% вугле­цю, тому в аустеніті цих сплавів відбуватимуться аналогічні перетворення, як і в сплавах, що містять менше 2,14% вуглецю. У момент закінчення затверді-вання вміст вуглецю в аустеніті відповідатиме 2,14%. При охолодженні ниж­че лінії ЕСЕ з нього почне виділятися вторинний цементит і при досяганні лі­нії Р5К концентрація вуглецю в аустеніті

Області діаграми стану сплавів системи залізо-вуглець

Вся діаграма ділиться на дві великі області: сталі — сплави, що містять до 2,14% вуглецю, і чавуни — сплави, в яких вуглецю міститься від 2,14% до 6,67%.

Сталі поділяються на доевтектоїдні, що містять до 0,81% вуглецю, і зае-втектоїдні, у яких вміст вуглецю знаходиться в межах 0,81-2,14%. Сталь, що містить 0,81 % вуглецю, називають евтектоїдною.

Мікроструктура доевтектоїдної сталі являє собою зерна фериту і перлі­ту. Із збільшенням вмісту вуглецю кількість перліту збільшується і при вмісті вуглецю 0,81 % (у евтектоїдній сталі) структура буде складатися тільки із зе­рен перліту. У заевтектоїдній сталі разом з перлітом в мікроструктурі з'явля­ється цементит (вторинний).

Твердість та інші механічні характеристики сталей змінюються за ліній­ним законом, оскільки мікроструктура сталі є механічною сумішшю двох фаз: фериту і цементиту.

Перетворення у верхній лівій частині діаграми не розглядаються, оскіль­ки ці перетворення особливо важливого практичного значення не мають. Структура і класифікація чавунів будуть розглянуті нижче в розд. 2.3 «Чаву­ни».

знизиться до 0,81%. Подальше охо­лодження приведе до перетворення аустеніту на перліт.