Процеси, які відбуваються при температурах,

які відповідають лініям діаграми стану “залізо – цементит”

На діаграмі Fe-Fe₃C точка А (рис.5.1.) відповідає температурі плавлення чистого заліза (1539⁰С), точка N (1392⁰С) - температурі поліморфного Fe_d «Fe_g -перетворення, G (911⁰С) - поліморфного Fe_g«Fe_a -перетворення, D (1260⁰С) - температурі плавлення цементиту. Точки Н і Р характеризують граничну концентрацію вуглецю відповідно у високо - та низькотемпературному фериті, а точка Е - в аустеніті.

Перетворення в залізовуглецевих сплавах відбуваються як при твердінні рідкої фази (первинна кристалізація), так і в твердому стані (вторинна кристалізація). Первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур між лініями ліквідус (АВСD) і солідус (АНJECF). Вторинна кристалізація пов'язана з поліморфним перетворенням заліза і змінною розчинністю вуглецю в g- та a-залізі.

Лінії діаграми стану залізо-цементит мають такі позначення та фізичний зміст.

Лінія АВСD - лінія ліквідус - визначає температуру, при якій починається процес первинної кристалізації із рідкого сплаву, при цьому лінія АВ показує температуру початку кристалізації d-фериту, ВС - аустеніту, СD - цементиту первинного (Ц_І).

Лінія АНJECF - лінія солідус - визначає температуру, при якій закінчується процес первинної кристалізації, при цьому лінія АН показує температуру кінця кристалізації d -фериту, JE - аустеніту. Лінія НJВ - це лінія перитектичного перетворення, суть якого полягає в тому, що d -ферит, який утворився до цієї температури, реагує з рідким сплавом, що залишився, утворюючи при цьому аустеніт: Р_В + Ф_Н ® А_{J .}

Якщо сплав містить 0,16%С, то рідка фаза і d -ферит повністю витрачаються і після закінчення перитектичного перетворення залишається тільки аустеніт, а якщо сплав містить понад 0,1 і до 0,16 чи понад 0,16 і до 0,5%С, то в надлишку залишається відповідно d- ферит чи рідка фаза, тобто фазовий склад при завершенні перитектичного перетворення сплавів, що містять від 0,1 до 0,16%С, - d -ферит + аустеніт, а сплавів з вмістом вуглецю від 0,16 до 0,5% - аустеніт + рідка фаза.

Лінія ЕСF - це лінія евтектичного перетворення, суть якого полягає в тому, що рідка фаза, що містить 4,3%С, кристалізується з утворенням механічної суміші кристалів аустеніту, що містить 2,14%С, і цементиту:

Р_C ® А_Е +_. Ц_F. (5.1)

Евтектична суміш аустеніту і цементиту називається ледебуритом. Ледебурит містить 4,3%С, має високу твердість (> 6000 НВ) і крихкість. Тому присутність ледебуриту в структурі сплавів, що містять 2,14…6,67%С, обумовлює їх нездатність до обробки тиском і утруднює обробку різанням.

Лінія NH - це лінія, яка відповідає температурі початку поліморфного (d-Ф ® А) - перетворення, а лінія NJ - кінця цього процесу.

Лінія GS - це лінія, яка відповідає температурі початку поліморфного (А ® a-Ф) - перетворення, а лінія GР - кінця цього процесу.

Лінія ЕS - це лінія максимальної розчинності вуглецю в g -залізі в залежності від температури, лінія, що відповідає температурі початку виділення надлишкового вуглецю з аустеніту внаслідок зменшення його розчинності в g -залізі при зниженні температури від 2,14% при 1147⁰С до 0,8% при 727⁰С, у вигляді цементиту, який називають вторинним (Ц_ІІ).

Лінія РQ - це лінія максимальної розчинності вуглецю в a-залізі, лінія, яка відповідає температурі початку виділення надлишкового вуглецю з a-фериту у вигляді третинного цементиту (Ц_ІІІ). Надлишок вуглецю в a-фериті з¢являється при охолодженні внаслідок зменшення розчинності вуглецю в a-залізі при зниженні температури з 0,02% при 727⁰С до 0,006% при 20⁰С.

Лінія PSK - це лінія евтектоїдного перетворення, суть якого полягає у перетворенні аустеніту, що містить 0,8%С, на суміш двох інших твердих фаз: a-фериту з вмістом 0,02%С і цементиту:

А_S ® Ф_P +_. Ц_K. (5.2)

Ця евтектоїдна суміш фериту і цементиту отримала назву перліт. Назва структури пов'язана з тим, що під мікроскопом на травленому мікрошліфі вона має перламутровий перелив. Перліт містить 0,8%С, найчастіше має пластинчасту будову і є відносно міцною структурною складовою: σ_в=800…900МПа; σ_0.2= 450МПа; δ£ 16%; ~ 2000НВ.

Евтектоїдне перетворення відбувається також і з аустенітом ледебуриту. Тому ледебурит при температурах нижче 727⁰С складається з перліту і цементиту і іноді такий ледебурит називають перетвореним (Л_п).

Виходячи з процесів, що відбуваються при температурах, що відповідають лініям діаграми стану залізо-цементит, усі залізовуглецеві сплави можна поділити на дві групи:

1) сплави, що містять до 2,14%С і які в результаті первинної кристалізації отримують пластичну аустенітну структуру;

2) сплави, що містять понад 2,14%С і які після первинної кристалізації отримують тверду і крихку ледебуритну структуру з надлишковими аустенітом чи цементитом або без них.

Ця різниця у структурі після первинної кристалізації обумовлює суттєву відмінність у технологічних і механічних властивостях цих двох груп сплавів. Перша група сплавів має достатньо високу пластичність, що дає змогу виготовляти деталі з них пластичним деформуванням. У другій групі сплавів наявність у структурі евтектики (ледебуриту) робить їх нековкими, але вони мають низьку температуру плавлення і їх використовують як ливарний матеріал.

Залізовуглецеві сплави, що містять до 2,14%С, називають сталями, а понад 2,14%С - чавунами.

 

Вуглецеві сталі

Основною продукцією чорної металургії є сталь, при цьому приблизно 90% виготовляється вуглецевої сталі і 10% - легованої. Таким чином, основним металевим матеріалом промисловості є вуглецева сталь.

Вуглецева сталь - це сплав заліза з вуглецем та іншими постійними домішками, який містить до 2,14%С, тобто до складу сталі входять, крім заліза, вуглець і постійні домішки.

Вуглець - обов'язковий компонент сталей, який сильно впливає на властивості сталі. Зі збільшенням вмісту вуглецю змінюється структура сталі: при вмісті 0,8%С вона складається тільки з перліту; менше 0,8%С - з фериту і перліту; понад 0,8%С - з перліту і цементиту вторинного. Відповідно зі зміною структури змінюються властивості сталі. Збільшення вмісту вуглецю в сталі призводить до підвищення її міцності, твердості та зниження пластичності і в'язкості (рис.5.2). Такий вплив вуглецю на властивості сталі пояснюється гальмуванням цементитними включеннями руху дислокацій у фериті, а при збільшенні вмісту вуглецю в сталі збільшується кількість цементиту і, відповідно, підвищується його гальмівна роль. Однак границя міцності зростає до вмісту вуглецю 0,8…0,9%, а далі починає знижуватися. Це зниження міцності заевтектоїдних сталей є наслідком утворення цементитного прошарку навколо зерен перліту і підвищення крихкості сталі.

Ударна в'язкість сталі сильно залежить від кількості в ній фериту. При підвищенні вмісту вуглецю до 0,6% кількість фериту різко зменшується, що призводить до падіння ударної в'язкості нижче допустимого рівня для конструкційної сталі (0,3…0,4 МДж/м²). Саме тому умовна межа між конструкційними та інструментальними сталями за вмістом вуглецю становить 0,65%.

Вуглець впливає також на фізичні властивості сталі: зі збільшенням вмісту вуглецю в сталі знижуються її густина, теплопровідність, залишкова індукція, магнітна проникність, росте електричний опір і коерцитивна сила.

Рис.5.2. Вплив вуглецю на механічні властивості сталі