Лекція№ 1

Тема:система залізо-вуглець. Компоненти і фази залізовуглецевих сплавів.

Мета: вивчення системи сплавів залізо-вуглецьіфазових перетворень в сталях і чавунах.

План лекції:система залізо-вуглець. Компоненти і фази залізовуглецевих сплавів. Діаграма стану залізо-вуглець. Діаграма стану залізо-цементит, значення ліній і точок. Класифікація сталей і чавунів за діаграмою, фазові перетворення в них.

Компоненти і фази залізовуглецевих сплавів

                Діаграма     залізо-вуглець     представлена     на     рисунку     1     [5].

Залізовуглецеві сплави поділяються на сталі і чавуни. До сталей відносять сплави з вмістом вуглецю 0,02...2,14 %, до чавунів- з 2,14…6,67 %. Сплави з вмістом вуглецю менше 0,02 % називають технічнимзалпом.

Компонентами залізовуглецевих сплавів є залізо і вуглець.

Рисунок 1-Діаграма стану залізо-вуглець.

Залізо - металевий елемент з атомним номером 26, температура плавлення технічно чистого заліза 1539 ⁰С, воно поліморфне і має такі модифікації: 

•               α-Fемає решітку ОЦК та існує нижче 911°С; 

•               γ-Fемає решітку ГЦК та існує в інтервалі 911...1392 °С;   δ-Fемає решітку 01 (К та існує в інтервалі 1392... 1539 °С. 

Основні механічні властивості заліза:  границя міцності σ_в- 150.. .200 МПа_чтвердість НВ60…80, відносне

видовження δ - 40.. .50 %, відносне звуження Ψ~80 %.

З наведених механічних властивостей залізо слід охарактеризувати

як речовину з високою пластичністю іневисокою міцністю і твердістю.

Вуглець - неметалевий елемент з температурою плавлення 3500

°С, атомним номером 6, він поліморфний і може існувати у вигляді графіту і алмазу.

Основними твердими фазами в залізовуглецевих сплавах є ферит, аустеніт, цементит і графіт.

Ферит - твердийрозчинвуглецю в α-Fе, тобто в залізі з ОЦК решіткою (його ще називають α-феритом);це розчин проникнення, максимальна розчинність вуглецю в фериті дорівнює 0,02% при 727 °С, при кімнатній температурі вона зменшується до 0,006 %.Тобто можна констатувати, що при кімнатній температурі ферит являє собою майже чисте залізо, тому його властивості близькі до властивостей заліза, але присутність в α-Fерозчинених атомів вуглецю призводить до певного підвищення міцності і зниження пластичності ферита у порівнянні з чистим залізом:

•         границя міцності σ_в- 200... 250 МПа, твердість НВ 60... 80;

•         відносне видовження δ - 30... 40 %, відносне звуження Ψ ~ 70 %.

Наведені властивості показують, що ферит - неміцна м'яка фаза з високою пластичністю.

Існує ще δ-ферит- це високотемпературний твердий розчин вуглецю в <5-залізі, тобто теж в залізі з ОЦК решіткою, але оскільки ця фаза існує при температурах вище 1392 °С, а при охолодженні перетворюється на аустеніт, то в з'ясуванні подальшого матеріалу вона практичного значення не матиме.

Аустеніт - твердий розчин вуглецю в γ-Fе, тобто в залізі з ГЦК решіткою; це розчин проникнення. Максимальна розчинність С в аустеніті становить 2,14 % при 1147 °С, при зниженні температури вона знижується по лінії ЕSдо 0,8 % при 727 °С (це найнижча температура, при якій існує аустеніт в нелегованих сталях). Таким чином γ-Fездатно розчинити значно більше вуглецю ніж α-Fе.Незважаючи на більшу твердість (170...200 НВ) і(міцність σ_в-500... 800 МПа),аустеніт, як і

ферит, є дуже пластичноюфазою.

Цементит - хімічна сполука, карбід заліза Fе₃С, що містить 6,67 % С, тобто це високовуглецева фаза. Температура плавлення 1250 °С. Має орторомбічну кристалічну решітку. Цементит - дуже тверда (НВ~800), а тому непластична, крихкафаза. Важливою властивістю цементиту є його метастабільність(нестійкість): при нагріванні він розпадається на залізо і графіт. Це явище використовується при виробництві ковкого чавуну.

Графіт - майже чистий вуглець, це, на відміну від цементиту,стабільнафаза, тобто утворившись, він вже не може перетворитися на цементит. Він м'який, маломіцний, крихкий. Ця фаза присутня у сірих, ковких та високоміцних чавунах.

Крім наведених фаз в залізовуглецевих сплавах мають місце дві

важливі структурні складові, механічні сумішіледебурит іперліт.

Ледебурит (евтектика) - це механічна суміш аустеніту і цементиту, яка містить 4,3 %С. Він утворюється в чавунах (сплавах з вмістом вуглецю від 2,14 до 6,67 %) при 1147 С (лінія ЕСР)з рідкого розчину внаслідок одночасної кристалізації двох фаз, аустеніту і цементиту (А+Ц). Це фазове перетворення зветься евтектичним.

Реакція евтектичного перетворення може бути сформульована таким чином: рідина складу точки С(див. рисунок 1),яка містить 4,3%С (Р_с(4.3%с))при 1147°С перетворюється намеханічну суміш аустеніту складу точки Е, який містить 2,14% С (А_Е(2,14%С))і цементиту з 6,67%С (Ц_(6,67%С)), або в скороченому вигляді[4] :

РС(4.3%С)  АЕ(2,14%С) + Ц (6,67%С)

Кожне зерно ледебуриту - це монокристал цементиту, який містить у собі сильно розгалужений у вигляді стержнів (рідше - пластин) кристал аустеніту, таку його будову називають сотовою.

Евтектичне перетворення йде при постійній температурі 1147 ⁰С (хоча реально необхідне деяке переохолодження нижче цієї температури).

Як вже підкреслено, рідина, з якої утворюється ледебурит, містить 4,3%С. Це пояснюється тим, що оскільки хімічний склад рідини в процесі кристалізації сплавів, які містять 2,14...6,67 % С(чавунів), змінюється по ділянці ВС або DСлінії ліквідує ABCD, то при

температурі 1147 °С рідкий розчин будь-якого чавуну набуде саме 4,3 % С, тобто буде мати склад, відповідний точці Сдіаграми. Тому ледебурит в усіх чавунах містить 4.3%С.

Оскільки основною складовою ледебуриту є дуже тверда і непластична фаза - цементит, то вона обумовлює аналогічні властивості для механічної суміші, ледебуриту, в цілому (НВ ~ 700).

Перліт (евтектоїд) - це механічна суміш ферита і цементита(Ф+Ц), яка містить 0,8 % С. Перліт утворюється з аустеніту в усіх сплавах з вмістом вуглецю >0,02%, тобто і в сталях, і в чавунах.

                 Утворюється     він    при     постійнійтемпературі     727    °С     (лінія

РSК)(реально, як і для евтектичного перетворення, необхідне певне переохолодження нижче 727°С). Це перетворення зветься перлітним або евтектоїдним.

Реакція перлітного перетворення може бути сформульована таким чином: аустеніт складу точки 5 (див. рисунок1), який містить 0,8 % С (Аs_(0.8%C)) при 727 °С перетворюється на механічну суміш фериту складу точки Р, який містить 0,02 % С (Ф_{Р (0,02 %С)} ) і цементиту з 6,67 % С (Ц_{(6,67 %С)} ), або в скороченому вигляді [4]:

Аs(0.8%C)                 ФР (0,02 %С) + Ц(6 ,67 %С)

Перліт має пластинчасту будову, кожне окреме зерно перліту складається з тонких пластин фериту і цементиту, які чергуються. Перліт -дуже міцна (σ_в - 600... 1300МПа)і тверда (НВ- 150...260) структурна складова, але не позбавлена пластичності (δ - 10... 15%; Ψ- 20...40%). Механічні властивості перліту значно залежать від товщини пластин фериту і цементиту в ньому, а також від розміру перлітних зерен.

Докладніше перлітне перетворення буде розглянуте при вивченні вуглецевих сталей.

Діаграма стану залізо-вуглець

Як вже відзначалося, в залізовуглецевих сплавах можуть бути присутні дві високовуглецеві фази - цементит і графіт. Умови їх утворення докладніше будуть розглянуті при вивченні чавунів. В залежності від того, яка з цих фаз утворюється в сплавах, існують дві діаграми системи Fе- С.

Діаграма сплавів, яка відображає фазові перетворення за участю графиту (стабільної фази), зветься стабільною діаграмою,а діаграма, яка відображає перетворення за участю цементиту (метастабільної, нестійкої фази) зветься метастабільною.

Стабільна і метастабільна діаграми подібні, відрізняються одна від одної наявністю графіта або цементита, температурами евтектичного (лінія ЕСF)і евтектоїдного (лінія РSК)перетворень і, відповідно, положенням деяких точок діаграм.

Звичайно метастабільну діаграму будують окремо і називають її діаграмою стану залізо-цементит (рисунок 1),або обидві діаграми будують разом, тоді метастабільна діаграма наноситься суцільними лініями, а стабільна - штриховими і її точки позначають літерами зі штрихом, називають таку діаграму повною діаграмою, або діаграмою стану системи Fе-С. Розглянемо метастабільну діаграму залізоцементит, значення її ліній і точок.

Діаграма стану залізо-цементит, значення ліній і точок

Позначення всіх характерних точок діаграми загальноприйняте.

На лівій температурній вісі, яка за складом відповідає чистому залізу (100%Fе),відмічені температура плавлення заліза 1539 °С (точкаА), і температури його поліморфних перетворень 1392 °С (точка N) і 911 °С (точка G).

Права температурна вісь за складом відповідає цементиту і точка В на ній - це його температура плавлення 1250 °С.

Лінія ABCD - це лінія ліквідує,показує температури, вище яких сплави знаходяться в рідкому стані; за нею змінюється склад рідкої фази при кристалізації.

Лінія AHJECF - це лінія солідус,показує температури, нижче яких сплави знаходяться в твердому стані; по ній змінюється склад твердих фаз при кристалізації.

Оскільки в твердих розчинах вуглецю в залізі, якими являють собою ферит (α- і δ-ферит) і аустеніт, поліморфні перетворення йдуть не при постійній температурі, як в чистому залізі, а в інтервалі температур,то на діаграмі існують лінії, які позначують температури початку і кінця цих перетворень.

Лінії HN і JN показують, відповідно, температури початку і кінця поліморфного перетворення 8-фериту на аустеніт при охолодженні сплавів.

Лінії GS і GР показують температури початку і кінця поліморфного перетворення аустеніту (А) на а-ферит (Ф) при охолодженні; вони також показують зміну складу аустеніту і фериту при зміні температури сплаву.

Лінія ЕSпоказує граничну (найбільшу) розчинність вуглецю в аустениті у залежності від температури; з діаграми видно, що розчинність вуглецю в аустенитізнижуєтьсявід 2,14 % при 1147 °С до 0,8 % при 727 °С.

Лінія РQ показує граничну розчинність вуглецю в фериті у залежності від температури, вона знижується з 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при кімнатній температурі.

Лінія HJBвідповідає 1499 °С, це лінія перитектичного перетворення фериту складу точки Н(0,1 % С) і рідкого розчину складу точки В(0,5 % С) на аустеніт складу точки J(0,16 % С). Докладно це перетворення не розглядатиметься.

Лінія ЕСF відповідає 1147 °С, це лінія евтектичного перетвореннярідкого розчину на ледебурит (Л)при охолодженні.

Значення точки С на концентраційній вісі - 4,3 % С.

Лінія РSКвідповідає 727 °С, це лінія перлітного(евтектоїдного) перетворення, перетворення аустеніту на перліт (П)при охолодженні.

Значення точки S на концентраційній вісі - 0,8 %С.

При нагріванні всі фазові перетворення йдуть в протилежному порядку згідно діаграми. Наприклад, при нагріванні перліт перетворюватиметься на аустеніт при постійній температурі 727 °С.

При вивченні фазових перетворень слід розуміти, що всі вони розпочинаються при деякому перегріванні (при нагріванні) або деякому переохолодженні (при охолодженні) від температур, які позначують лінії діаграми, але для спрощення розгляду перетворень в подальшому будуть вказуватися саме температури, що визначають лінії діаграми.

До розгляду стабільноїдіаграмизалізо-вуглець повернемося при вивченні чавунів.

Контрольні запитання

1.          Які поліморфні модифікації має залізо, і при яких температурах вони існують?

2.          Що таке ферит,яку максимальну кількість вуглецю він може   розчинити, які його механічні властивості?

3.          Що таке аустеніт,яку максимальну кількість вуглецю він може розчинити, при якій найнижчій температурі він існує, які його механічні властивості?

4.          Що таке цементитіграфіт?

5.          Що таке перліті ледебурит,при яких температурах і з яких фаз вони утворюються?

6.          Скільки вуглецю і чому містять перліті ледебуриті?

7.          Наведіть реакцію евтектичногоперетворенняі поясніть її.

8.          Наведіть реакцію перлітного(евтектоїдного) перетворенняі поясніть її.

9.          Назвіть лініїліквідуєісолідусдіаграми стану залізо-цементит.

10.     Назвіть лінії евтектичногоі евтектоїдного(перлітного)перетворень на діаграмі стану залізо-цементит, яким температурам вони відповідають?

11.     Поясніть значення інших ліній діаграми стану залізо-цементит.