Лекція Залізовуглецеві сплави. Діаграма стану залізо - вуглець.

Структури залізовуглецевих сплавів. 

Залізовуглецеві сплави - сталі й чавуни - найважливіші металеві сплави сучасної техніки. Виробництво чавуну й сталі по об'єму перевершує виробництво всіх інших металів разом узятих більш ніж у десять разів.

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.

Д іаграма 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.

Діаграма стану залізо – цементит

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.