17,18 Структурні складові на діаграмі стану Fe-Fe3c.

Діаграма стану залізо - вуглець дає основне подання про будову залізовуглецевих сплавів - сталей і чавунів. Початок вивченню діаграми залізо - вуглець поклав Чернов Д.К. в 1868 році. Чернов уперше вказав на існування в сталі критичних крапок і на залежність їхнього положення від змісту вуглецю.

Діаграма залізо - вуглець повинна поширюватися від заліза до вуглецю. Залізо утворить із вуглецем хімічну сполуку: цементит. Кожну стійку хімічну сполуку можна розглядати як компонент, а діаграму - вроздріб. Оскільки на практиці застосовують металеві сплави зі змістом вуглецю до 6,67%, то розглядаємо частину діаграми стану від заліза до хімічної сполуки цементиту, що містить вуглець.

Компоненти й фази залізовуглецевих сплавів Компонентами залізовуглецевих сплавів є залізо, вуглець і цементит. 1. Залізо – перехідний метал сріблисто-світлого кольору. Має високу температуру плавлення – 1539^o С  5^o ^ С. У твердому стані залізо може перебувати у двох модифікаціях. Поліморфні перетворення відбуваються при температурах 911^o С и 1392^o С. При температурі нижче 911^o З існує  з об’ємноцентрованою кубічною решіткою. В інтервалі температур 911…1392^oС стійким є  із гранецентрованою кубічною решіткою. Вище 1392^oС залізо має об’ємноцентровану кубічну решітку й називається  або високотемпературне  . Високотемпературна модифікація  не являє собою нової алотропічної форми. Критичну температуру 911^oС перетворення  позначають крапкою  , а температуру 1392^o З перетворення  - крапкою А₄. При температурі нижче 768^o Із залізо феромагнітне, а вище – парамагнитно. Крапка Кюрі заліза 768^o З позначається А₂. Залізо технічної чистоти має невисоку твердість (80 НВ) і міцність (межа міцності - /, границя текучості -/ ) і високими характеристиками пластичності (відносне подовження - /, а відносне звуження - /). Властивості можуть змінюватися в деяких межах залежно від величини зерна. Залізо характеризується високим модулем пружності, наявність якого проявляється й у сплавах на його основі, забезпечуючи високу твердість деталей із цих сплавів. Залізо з багатьма елементами утворить розчини: з металами - розчини заміщення, з вуглецем, азотом і воднем - розчини впровадження. 2. Вуглець ставиться до неметалів. Має поліморфне перетворення, залежно від умов утворення існує у формі графіту з гексагональною кристалічною решіткою (температура плавлення – 3500 ⁰С, щільність – 2,5 г/см³) або у формі алмаза зі складною кубічною решіткою з координаційним числом рівним чотирьом (температура плавлення – 5000 ⁰С). У сплавах заліза з вуглецем вуглець перебуває в стані твердого розчину із залізом і у вигляді хімічної сполуки – цементиту (Fe₃C), а також у вільному стані у вигляді графіту (у сірих чавунах). 3. Цементит (Fe₃C) – хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза), містить 6,67 % вуглецю. Алотропічних перетворень не випробовує. Кристалічна решітка цементиту складається з ряду октаєдров, осі яких нахилені друг до друга. Температура плавлення цементиту точно не встановлена (1250, 1550^o ^ С). При низьких температурах цементит слабко феромагнітен, магнітні властивості втрачає при температурі близько 217^o С. Цементит має високу твердість (більше 800 НВ, легко дряпає скло), але надзвичайно низьку, практично нульову, пластичність. Такі властивості є наслідком складної будови кристалічної решітки. Цементит здатний утворювати тверді розчини заміщення. Атоми вуглецю можуть заміщатися атомами неметалів: азотом, киснем; атоми заліза – металами: марганцем, хромом, вольфрамом і ін. Такий твердий розчин на базі решітки цементиту називається легованим цементитом. Цементит - сполука нестійке й за певних умов розпадається з утворенням вільного вуглецю у вигляді графіту. Цей процес має важливе практичне значення при структуроутворенні чавунів. У системі залізо - вуглець існують наступні фази: рідка фаза, ферит, аустеніт, цементит. 1. Рідка фаза. У рідкому стані залізо гарне розчиняє вуглець у будь-яких пропорціях з утворенням однорідної рідкої фази. 2. Ферит (Ф)  (C) – твердий розчин впровадження вуглецю в  -залізо. Ферит має змінну граничну розчинність вуглецю: мінімальну – ^ 0,006 % при кімнатній температурі (крапка Q), максимальну – 0,02 % при температурі 727^o З ( крапка P). Вуглець розташовується в дефектах решітки. При температурі вище 1392^o С існує високотемпературний ферит ( )   (C), із граничною розчинністю вуглецю 0,1 % при температурі 1499^o С (крапка J) Властивості фериту близькі до властивостей заліза. Він м'який (твердість – 130 НВ, межа міцності – ) і пластичне (відносне подовження – ), магнітний до 768^o С. 3. Аустеніт (А)  (З) – твердий розчин впровадження вуглецю в  -залізо. Вуглець займає місце в центрі гранецентрованого кубічного осередку. Аустеніт має змінну граничну розчинність вуглецю: мінімальну – ^ 0,8 % при температурі 727^o С (крапка S), максимальну – 2,14 % при температурі 1147^o С (крапка Е). Аустеніт має твердість 200…250НВ, пластичне (відносне подовження –  ), парамагнітен. При розчиненні в аустеніті інших елементів можуть змінюватися властивості й температурні границі існування. 4. Цементит – характеристика дана вище. У залізовуглецевих сплавах присутні фази: цементит первинний (Ц_I), цементит вторинний (Ц_II), цементит третинний (Ц_III). Хімічні й фізичні властивості цих фаз однакові. Вплив на механічні властивості сплавів робить розходження в розмірах, кількості й розташуванні цих виділень. Цементит первинний виділяється з рідкої фази у вигляді великих пластинчастих кристалів. Цементит вторинний виділяється з аустеніту й розташовується у вигляді сітки навколо зерен аустеніту (при охолодженні - навколо зерен перліту). Цементит третинний виділяється з фериту й у вигляді дрібних включень розташовується в границь феритних зерен.   процеси при структуроутворенні залізовуглецевих сплавів  Лінія АВС – ліквідус системи. На ділянці АВ починається кристалізація фериту ( ), на ділянці ^ ВР починається кристалізація аустеніту, на ділянці СD – кристалізація цементиту первинного. Лінія AHJECF - лінія солідус. На ділянці АН закінчується кристалізація фериту. На лінії HJB при постійній температурі 14990С іде перитектичне перетворення, що полягає в тім, що рідка фаза реагує з раніше, що утворилися кристалами, фериту, у результаті чого утвориться аустеніт: На ділянці JЕ закінчується кристалізація аустеніту. На ділянці ECF при постійній температурі 1147^o Із іде евтектичне перетворення, що полягає в тім, що рідина, що містить 4,3 % вуглецю перетворюється в евтектична суміш аустеніту й цементиту первинного: Евтектика системи залізо - цементит називається ледебуритом (Л), по ім'ю німецького вченого Ледебура, містить 4,3 % вуглецю. При температурі нижче 727^o С у сполука ледебуриту входять цементит первинний і перліт, його називають ледебурит перетворений (ЛП). По лінії HN починається перетворення фериту в аустеніт, обумовлене поліморфним перетворенням заліза. По лінії NJ перетворення фериту в аустеніт закінчується. По лінії GS перетворення аустеніту у ферит, обумовлене поліморфним перетворенням заліза. По лінії PG перетворення аустеніту у ферит закінчується. По лінії ES починається виділення цементиту вторинного з аустеніту, обумовлене зниженням розчинності вуглецю в аустеніті при зниженні температури. По лінії МО при постійній температурі 768^o С мають місце магнітні перетворення. По лінії PSK при постійній температурі 727^o Із іде евтектичне перетворення, що полягає в тім, що аустеніт, що містить 0,8 % вуглецю, перетворюється в евтектичну суміш фериту й цементиту вторинного: По механізму дане перетворення схоже на евтектичне, але протікає у твердому стані. Евтектоїд системи залізо - цементит називається перлітом (П), містить 0,8 % вуглецю. Назву одержав за те, що на полірованому й протравленому шліфі спостерігається перламутровий блиск. Перліт може існувати в зернистій і пластинчастій формі, залежно від умов утворення. По лінії PQ починається виділення цементиту третинного з фериту, обумовлене зниженням розчинності вуглецю у фериті при зниженні температури. Температури, при яких відбуваються фазові й структурні перетворення в сплавах системи залізо - цементит, тобто критичні крапки, мають умовні позначки. Позначаються буквою А (від французького arret - зупинка): А1 - лінія PSK (7270С) - перетворення П /А; A2 - лінія MO (7680С, т. Кюрі) - магнітні перетворення; A3 - лінія GOS ( змінна температура, що залежить від змісту вуглецю в сплаві) - перетворення Ф /А; A4 - лінія NJ (змінна температура, що залежить від змісту вуглецю в сплаві) - перетворення; Acm - лінія SE (змінна температура, що залежить від змісту вуглецю в сплаві) - початок виділення цементиту вторинного (іноді позначається A3). Тому що при нагріванні й охолодженні перетворення відбуваються при різних температурах, щоб відрізнити ці процеси вводяться додаткові позначення. При нагріванні додають букву с, при охолодженні - букву r, тобто.  20. Побудувати і пояснити криву охолодження доевтектоїдної сталі.

Про фазові перетворення можна судити з кривих їх охолодження або нагрівання. Як приклад розглянемо процес структуроутворення в сталі з 0,4% С (рис. 5.2). Вище точки 1 сталь знаходиться в рідкому стані і безперервно охолоджується. В інтервалі температур 1-2 із рідкої фази, склад якої змінюється по ліквідусу АВ, випадають кристали d – фериту, склад яких визначається по солідусу АН. За правилом фазС=2-2+1=1, t № const. При кристалізації виділяється тепло, на ділянці кривої 1-2 охолодження сплаву зменшується. При температурі точки 2 проходить трифазне перитектичне перетворення: Р_В+d_Н ®А₁+Р(залишок); С=2-3=1=0, t=const.

Залишкова рідина кристалізується при безперервному охолодженні в інтервалі температур 2-3 з утворенням аустеніту. В інтервалі 3-4 сплав має структуру А (аустеніту), безперервно охолоджується. При температурах 4-5 проходить поліморфне перетворення, ГЦК перебудовується в ОКЦ ґратку і з аустеніту виділяються кристали a-фериту.

При температурі точки 5 проходить трифазне евтектоїдне перетворення А_(S)® Ф_(Р)+Ц_(К), коли з аустеніту, не перетвореного у ферит, утворюється евтектоїд - перліт (Ф+Ц). У процесі подальшого охолодження сплаву з фериту виділяється Ц_ІІІ, який нашаровується на цементиті перлітному. Структура сталі охолодженої нижче температури точки 5 (до точки 6) - Ф+П (рис. 5.3, а).

Масові долі (%) фериту й перліту як структурних складових сталей можуть бути визначені за правилом відрізків. Наприклад, при 600 °С Ф=(0,8-0,4)/(0,8-0,01)100=50 %, а перліту П=(0,4-0,01)/(0,8-0,01)100=50 %. Масова доля фериту як фази, що існує разом із цементитом, Ф=(6,67-0,4)/(6,67-0,01)100=94 %. Решта 6 % належать іншій фазі – цементиту.

Таким чином, структура, що містить 0,4% С, складається із 50 % фериту і 50% перліту (відповідно до фазового аналізу - 94 % Ф+6 %Ц).

Сплави з вмістом вуглецю 0,02…2,14 % С, у структурі яких присутній перліт, називаються сталями(steel). Сталі поділяються на доевтектоїдні (С= 0,02…0,8 % С, структура Ф+П); евтектоїдні (С=0,8 % С, структура перліт); заевтектоїдні (С=0,8…2,14 % С, структура П+Ц_ІІ). Схеми структур цих сталей показані на рис. 5.3.

Сплави, які містять від 2,14 до 6,67% С, у структурі яких присутня певна доля евтектики – ледебуриту, називаються чавунами. Вони поділяються на доевтектичні (С=2,14…4,3 % С, структура П+Л); евтектичні(С+4,3 % С, структура - ледебурит); заевтектичні (С>4,3 % С, структура Ц_І+Л).

Цементит третинний в сталях і чавунах, а також цементит вторинний в евтектичному і заевтектичному чавунах як самостійні структурні складові при мікроструктурному аналізі зазвичай не визначаються.

Необхідно зазначити, що всі описані зміни структури, що проходять при охолодженні сплавів, повторюються і при нагріванні сплавів (у зворотному порядку). Це справедливо лише в тому випадку, коли охолодження і нагрівання проходять із дуже малими швидкостями, і при будь-якій температурі всі можливі перетворення повністю завершені й сплави знаходяться в стані фазової рівноваги.