Компоненти, фази та структурні складові

Залізовуглецевих сплавів

Компоненти –хімічні елементи, що утворюють сплав – залізо та вуглець.

Залізо –метал з температурою плавлення 1539°С. Атомний радіус 0,127 нм. Залізо поліморфне. Нижче 911°С та в інтервалі 1392...1539°С має ОЦК гратку з параметром 0,286 нм. При 20°С заповнення об'єму гратки атомами на 68%. Низькотемпературна модифікація позначається a-Fe, високотемпературна – d-Fе. В інтервалі температур 911...1392°С існує g-Fе з ГЦК граткою, параметри якої 0,3645 нм, заповнення об'єму гратки атомами на 74 %. Між атомами заліза існує металевий тип зв'язку. Нижче 768°С a-Fe – феромагнітне, g-Fе, b -Fe, d -Fe – парамагнітне.

Залізо характеризується низькими рівнями міцності, твердості та високою пластичністю (s_в = 150...200 МПа; НВ 60...70; d = 60%).

Вуглець – неметал з температурою плавлення 3600°С, атомним радіусом – 0,077нм. Має дві модифікації: стабільну – у вигляді графіту та метастабільну – у вигляді алмазу.

В Fe-C сплавах розрізняють фази: рідкий розчин (Р), ферит (Ф),аустеніт (А), цементит (Ц) і графіт (Г).

Ферит – твердий розчин впровадження атомів вуглецю в ОЦК гратці заліза. Розрізняють низькотемпературний a-ферит з граничною розчинністю вуглецю 0,02 % при 727°С та високотемпературний d-ферит (0,1%С при 1499°С). Низька розчинність вуглецю у фериті обумовлена малим радіусом порожнин в ОЦК гратці (0,037 нм). Механічні властивості фериту: s_в = 200...250 МІІа; d = 40...50 %; НВ 80...90.

Аустеніт - твердий розчин впровадження атомів вуглецю в g-Fе ГЦК гратці, радіус міжатомних порожнин дорівнює 0,052 нм. Цим обумовлена підвищена, в порівнянні з феритом, розчинність вуглецю в аустеніті – 2,14 % при 1147 °С. Аустеніт має наступні механічні властивості: s_в = 50...60 %; НВ 160...200. Фаза в'язка, парамагнітна.

Тверді розчини впровадження, крім вуглецю, можуть утворювати азот і водень (атомні радіуси 0,072 нм та 0,0056 нм. відповідно), частково бор, а тверді розчини заміщення – кремній, марганець, хром, нікель, молібден, вольфрам тощо.

Цементит – хімічна сполука Fе₃С,яка містить 6,67 %С. Гратка – складна ромбічна, характеризується металевим та іонним зв'язком між атомами вуглецю та заліза. Тому цементит має високу твердість (НВ³800), крихкість і практично нульову пластичність. Цементит – метастабільна фаза і у високовуглецевих сплавах (>2,14 %С) при дуже повільному охолодженні замість нього може утворюватися графіт.

Графіт – стабільна модифікація вуглецю, має складну гексагональну кристалічну гратку. Відстань між атомами в одному шарі складає 0,1415 нм, між шарами – значно більше – 0,34 нм. У першому випадку зв'язок реалізується за рахунок ковалентних сил, у другому – за рахунок слабких Ван-дер-ваальсовських. Густина графіту 2,26 г/см³. Твердість 3...5 НВ, значна крихкість, пластичність практично відсутня.

Ферит, аустеніт, цементит можуть існувати у сплавах в структурновільному стані або входити до складу ледебуриту чи перліту.

Ледебурит – евтектична фазова суміш цементиту та аустеніту в інтервалі температур 1147...727 °С, перліту і цементиту – при температурах нижче 727°С. Середній вміст вуглецю в ледебуриті 4,3 %. Ледебурит утворюється в залізовуглецевих сплавах, які містять більше 2,14 %С. Ледебурит містить 64 % цементиту, тому він твердий (НВ³600) та крихкий.

Перліт – евтектоїдна фазова суміш фериту і цементиту, що містить 0,8 %С. Властивості перліту залежать від дисперсності ферито-цементитної суміші та форми цементиту. Грубопластинчастий перліт має властивості: s_в = 500...600 МІІА; d = 8...15 %; 160...250 HB. Більш дисперсний перліт має більшу міцність та меншу пластичність.

 

1.3.2. Метастабільна діаграма Fе-Fе₃С

Рисунок 1.1 – Діаграма стану залізо-цементит(вуглець)

 

Складність діаграми Fе-Fе₃С (рис. 1.1) зумовлена тим, що у залізовуглецевих сплавах, окрім первинної кристалізації (Рідина ® тверда фаза) відбуваються процеси вторинної кристалізації в твердому стані, які пов'язані з поліморфними перетвореннями заліза та зменшенням розчинності вуглецю у фериті та аустеніті.

При аналізі залізовуглецевих сплавів користуються двома діаграмами стану (рис. 1.1): метастабільною, що характеризує перетворення в системі залізо-цементит (суцільні лінії) та стабільною, що характеризує перетворення в системі залізо-графіт (пунктирні лінії). Система залізо-графіт більш стабільна, ніж система залізо-цементит, тому що при нагріванні до високих температур цементит може розкластися на залізо та графіт, тобто переходить у більш стабільний стан. Ці діаграми є неповними (до 6,67 %С). Це пояснюється тим, що практичне використання мають сплави заліза з вуглецем (сталі та чавуни) з вмістом вуглецю до 5-6 %.

Точки та лінії діаграми. Точки на діаграмі визначаються температурою та концентрацією вуглецю. Точка А (1539 °С, 0 %С) – температура кристалізації (плавлення) заліза, точка D (1250 °С, 6,67 %С) – цементиту. Точки N 1392 °С, 0 %С) та G (911 °С, 0 %С) – температури поліморфного перетворення в залізі. Інші точки діаграми будуть охарактеризовані при розгляді фазових та структурних перетворень у різних сплавах.

Лінії діаграми – це геометричне місце точок, що характеризують хімічний склад фаз, які знаходяться у рівновазі, температури початку та кінця фазових перетворень. З теорії кристалізації відомо, що перехід від рідкого стану в твердий відбувається не при температурі рівноваги Т₀ для цих фаз, а при деякому переохолодженні DТ. Тому далі при розгляді перетворень, які проходять в реальних умовах при охолодженні (нагріванні), буде матися на увазі, що вони відбуваються при деякому переохолодженні (перегріванні) відносно температур рівноваги Т₀.

Первинна кристалізація. За лінією ліквідусу ABCD починається кристалізація з рідкої фази: d-фериту Ф_d (АВ), аустеніту А (ВС) та цементиту первинного Ц ₁ (СD,). Лінія АН – температурна межа двофазної зони “рідина+Ф_d”, нижче цієї лінії – однофазна зона Ф_d.HJB – лінія поліморфного перетворення за перитектичною реакцією:

При переохолодженні нижче 1499 °С внаслідок взаємодії рідини складу В (0,51 %С) з кристалами d-фериту складу точки Н (0,1 %С) утворюється аустеніт складу точки J (0,16 %C).

Лінія JE – температурна межа двофазної зони Р+A, кінець кристалізації аустеніту; нижче цієї лінії – однофазна зона аустеніту.

ЕСF – лінія евтектичного перетворення:

Вторинна кристалізація. Лінія NН га NJ – температури початку та кінця поліморфного перетворення d-фериту в аустеніт у сплавах до 0,16 % С. В сплавах з 0,16...0,51 %С це перетворення відбувається при постійній температурі 1499 °С. Лінії GS та GPS – температури початку та кінця поліморфного перетворення А®Ф, яке відбувається в інтервалі температур при безперервному охолодженні в сплавах з вмістом вуглецю до 0,8 %.

РSК – лінія поліморфного перетворення А®Ф при постійній температурі в сплавах із 0,02...6,67 %С за евтектоїдною реакцією:

При переохолодженні нижче 727 °С з аустеніту евтектоїдної концентрації (0,8 %С) утворюється перліт.

Лінії ЕS та PQ – лінії граничної розчинності вуглецю в аустеніті та фериті, відповідно. У зв'язку зі зменшенням (збільшенням) вмісту вуглецю в цих фазах при охолодженні (нагріванні) лінії ЕS та PQ відповідають початку утворення (кінцю розчинення) цементиту вторинного в аустеніті та третинного – у фериті.