1.3. Железоуглеродистые сплавы

Сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) следует изучать, рассмотрев диаграмму состояния железо-цементит. Изучив общий вид диаграммы, процессы первичной кристаллизации и перекристаллизации (линии диаграммы, расположенные ниже линии солидуса указывают на протекание процессов вторичной кристаллизации, которые связаны с изменением растворимости углерода и железа и с аллотропическими превращениями железа, в частности, переходом модификации γ-Fe в α-Fe), надо уметь определить все фазы железа и структурные составляющие этой системы.

При взаимодействии железа с углеродом могут образоваться следующие структурные составляющие: твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение цементит, механические смеси (ледебурит перлит).

Строение железоуглеродистых сплавов определяется составом, условиями затвердевания и структурными изменениями в твердом состоянии.

Уясните различие между техническим железом, сталями и чугунами. Если содержание углерода составляет (0,006 – 2,14)% углерода, то сплав называют сталью, если больше 2,14% углерода – чугуном. Сплавы, содержащие менее 0,006% углерода называют техническим железом. Химический состав и методы получения существенно влияют на свойства сталей и чугунов. Уясните почему белые чугуны применяют очень ограниченно для изготовления деталей машин.

Данная диаграмма имеет применение при изучении почти всех разделов курса термической обработки, обработки давлением и резанием, сварки, литейного производства, поэтому важно знать изменение в структуре сталей и чугунов при нагреве и охлаждении.

Например, отвечая на пункт 3 задания, после изучения диаграммы состояния Fe-Fe₃C следует в контрольной работе привести диаграмму, определения составляющих диаграммы, привести кривую охлаждения указанного сплава согласно заданию см. рис. 1 (приложение 1).

Рассмотрим кривую охлаждения эвтектоидной стали, содержащий 0,8%С. (I-I) На участке 0-1 – происходит охлаждения жидкой стали. В интервале температур от точки 1 до точки 2 идет кристаллизация аустенита. Переход из жидкого в твердое состояние (кристаллизация) либо перестройка решетки (перекристаллизация), также как и плавление происходят с изменением энергии связи между частицами. Правило фаз позволяет понять особенности фазовых превращений, происходящих в реальных системах. Математическое выражение правила фаз имеет вид:

С=К-Ф+1,

где С – число степеней свободы, т.е. число факторов (концентрация, температура, давления) которые можно произвольно менять без изменения числа фаз системы;

К – количество компонентов, Ф – число фаз в системе, П - число внешних переменных (температура и давление).

Так как в обычных условиях изменение давление мало, то давление как фактор, влияющий на систему, можно исключить и тогда П=1 и правило фаз вид

С=К-Ф+1.

В интервале температур точек 1 и 2 число компонентов сплава равно К=2, (железо и углерод), число фаз Ф=2 (жидкая сталь и твердая фаза аустенита), тогда число степеней свободы определится как С=2-2+1=1.

Отсюда, кристаллизация должна происходить в интервале температур.

В интервале температур от точки 2 до точки 3 охлаждается аустенит. Число компонентов сплава К=2, число фаз Ф=1, тогда число степеней свободы С=2-2+1=1.

Следовательно, охлаждение происходит в интервале температур.

На участке 3-3 происходит изотермическое эвтектоидное превращение аустенита в перлит.

Число компонентов сплава К=2, число фаз Ф=3 (аустенит, феррит+цементит), тогда с=2-3+1=0.

Следовательно, образование перлита должно происходить при постоянной температуре. При температуре ниже т.3 из феррита выделяется третичный цементит число степеней свободы определяется, исходя из того, что К=2, число фаз Ф=2: С=2-2+1=1.

Следовательно ниже т. 3 процесс протекает в интервале температур.

Структура железоуглеродистых сплавов при комнатной температуре совпадает со структурой железоуглеродистых сплавов, расположенных ниже линии PSK.

Для эвтектоидной стали структура при комнатной температуре будет – перлит.

Уясните различие между техническим железом, сталями и чугунами.

Следует обратить внимание на влияние углерода и постоянных примесей (кремния, марганца, фосфора и серы) на свойства сталей и чугунов, а также принцип классификации углеродистых сталей и чугунов. Следует научиться по марке определять примерный химический состав стали или механические свойства чугунов.