Вивчення діаграми стану залізо-вуглецевих сплаві

Вивчення діаграми стану залізо-вуглецевих сплаві

Компонентами залізовуглецевих сплавів є залізо та вуглець, який може знаходитись у сплавах у хімічно зв’язаному стані у вигляді цементиту – Fe3 C (Ц) або у вільному стані – у вигляді графіту (Г). Залежно від цього структуроутворення залізовуглецевих сплавів при їх охолодженні з рідкого стану можна розглядати за діаграмою метастабільної рівноваги Fe – Fe3 C (рис. 5.1, суцільні лінії) або за діаграмою стабільної рівноваги Fe – C (рис. 5.1, пунктирні лінії С1 D1, E1 C1 F1, E1 S1, S1 K1).

Залізо плавиться при температурі 1539 °С, його густина при кімнатній температурі 7,68·103 кг/м3. Залізу властивий поліморфізм, тобто залежно від температури воно має різну кристалічну будову. При кристалізації (1539 °С) утворюється      -Fe, кристалічна будова якого описується об’ємноцентрованою кубічною (ОЦК) граткою. При 1392 °С замість ґратки      -Fe (ОЦК) шляхом перегрупування атомів утворюється      -Fe з гранецентрованою кубічною (ГЦК) граткою. При 910 °С також проходить поліморфне перетворення, внаслідок якого      -Fe переходить в        -Fe з (ОЦК) граткою. нижче 910 °С таке залізо стає стійким аж до температури абсолютного нуля.

Залізо         залежно від температури може знаходитись в різноманітних магнітних станах. При температурі 768 °С (768…910 °С) a-Fe, так само як і d-Fe, і g-Fe, - парамагнетик, тобто є немагнітним, нижче 768 °С – феромагнетик (магнітне). Температура 768 °С (точка Кюрі) є температурою переходу a -Fe із парамагнітного стану в феромагнітний при охолодженні заліза і навпаки – при його нагріванні. Залізо a з парамагнітними властивостями іноді називають b -Fe. Таким чином, при 1392 °С в рівновазі знаходяться d -Fe та g -Fe (d -Fe. Ы g -Fe); температура рівноваги g -Fe та a -Fe – 910 °С (g-Fe. Ы a-Fe). Температури рівноважного стану двох чи декількох фаз називаються критичними. Їх позначають літерою А з відповідним індексом (порядковий номер температури зростає з її підвищенням). Для заліза: 768 °С – А2; 910 °С – А3; 1392 °С – А4.

Залізо з вмістом вуглецю 0,01…0,1 % має такі властивості: твердість за Брінелем 70…80 НВ; міцність на розрив sв =200…250 МПа ; відносне звуження d =50…55%; ударна в’язкість КСU+20=220 … 250 к. Дж/м2. Цементит містить 6.67 % вуглецю і має високі твердість і крихкість, його міцність на розтяг дуже мала. Цементит – метастабільна (нестабільна) фаза, слабо феромагнітна, точка Кюрі (А0) - 210о. С. Час стійкості цементиту зменшується з підвищенням температури: при низьких температурах він існує нескінченно довго, при температурах, які перевищують 950°С, за декілька годин розпадається на залізо та графіт. На цьому явищі заснований відпал білого чавуну на ковкий.

Графіт – одна із двох кристалічних модифікацій вуглецю. Його температура плавлення 3850 °С. В залізовуглецевих сплавах графіт, на відміну від цементиту, є стабільною фазою. Сплавляючи залізо з вуглецем, отримуємо сплави з різноманітною структурою та властивостями. При підвищених швидкостях охолодження сплавів у результаті процесу кристалізації утворюється цементит. Утворення графіту спостерігається тільки в високовуглецевих сплавах у випадку їх повільного охолодження або при деяких ізотермічних витримках. В сплавах із зниженим вмістом вуглецю утворення графіту малоймовірне.

При підвищених швидкостях охолодження сплавів у результаті процесу кристалізації утворюється цементит. Утворення графіту спостерігається тільки в високовуглецевих сплавах у випадку їх повільного охолодження або при деяких ізотермічних витримках. В сплавах із зниженим вмістом вуглецю утворення графіту малоймовірне. На діаграмі метастабільної рівноваги крайні ординати відповідають чистим компонентам: GNA – залізу, KFD – цементиту. Ординати між ними – подвійним сплавам, загальний вміст заліза й вуглецю в яких дорівнює 100 %. Для заліза на лінії GNA точка А відповідає температурі плавлення (1539 °С); N - перетворенню d -Fe Ы a -Fe; G – перетворенню g -Fe Ы a -Fe. Для цементиту: D – температура плавлення (точно не встановлена).

В системі Fe – Fe3 C можливі: рідка фаза — розчин заліза й вуглецю та чотири твердих –d – та a - тверді розчини – ферит (Ф), g -твердий розчин –аустеніт (А), і цементит Fe3 C. Ліквідус – АВСD; солідус – АНІЕСF. Затвердівання сплавів, які містять до 0,5% С, починається з утворення d -фериту за реакцією Р(АВ) ® d -ферит (Ф(АН)) (див. рис. 5.1). Характер подальшої кристалізації сплавів залежить від вмісту в них вуглецю. Сплави з вмістом до 0,1% С (до точки Н), повністю тверднуть в інтервалі температур, який відповідає лініям АВ та АН з утворенням однофазної структури d -фериту. Цій структурі відповідає ділянка діаграми, що знаходиться зліва від лінії АНN. Сплави з 0,1…0,5 % С (між точками Н і В) кристалізуються дещо складніше. Після виділення з рідини відповідної кількості фериту при температурі 1499 °С (ізотерма НІВ) вони зазнають перитектичного перетворення: РВ+d. Н ® АІ.

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 ЦІ+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.

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 фаз С=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: РВ+d. Н ® А1+Р(залишок); С=2-3=1=0, t=const.

Кристалізація типової заевтектоїдної сталі II з 1,5 % вуглецю (рис. 5.2) відбувається в інтервалі температур від точки 7 до точки 8, коли з рідкої сталі з’являються зерна аустеніту. Після закінчення кристалізації від температури точки 8 до точки 9 в аустенітній області відбувається просте фізичне охолодження однофазного сплаву. Оскільки лінія ES – лінія сольвусу, тобто лінія обмеженої розчинності вуглецю в g-Fe (аустеніті), то нижче від точки 9 аустеніт стає перенасиченим вуглецем.

Надлишкові атоми вуглецю виходять із ґратки аустеніту, зв’язуються з атомами заліза у хімічну сполуку – цементит. Такий цементит визначають як вторинний - ЦII. Він виділяється по межах аустенітних зерен у вигляді тонкого прошарку. При охолодженні до 727 °С кількість вуглецю в аустеніті зменшується до 0,8 % (від точки 9 до точки S по лінії ES) і такий аустеніт при температурі точки 10 перетворюється на перліт. Структура всіх заевтектоїдних сталей – темні зерна перліту, оточені світлими прошарками вторинного цементиту (рис. 5.3, г).