Діаграма стану залізо – цементит

Діаграма стану залізо – цементит (залізо – вуглець) дає основні уявлення про будову залізо-вуглецевих сплавів – сталей і чавунів.

Компоненти: в системі Fe – C два компонента: Fe і C.

Залізо – метал м'який і у чистому виді не застосовується, його температура плавлення становить 1539 °С. У твердому стані воно може бути в двох модифікаціях: α (ОЦК) і γ (ГЦК). Принципово важливим фактором є то, що α-залізо існує у двох інтервалах температур: нижче 911 °С і від 1392 до 1539 °С. Пояснення цього явища слід шукати в зміні величин вільної енергії залежно від температури. При 768 °С залізо зазнає магнітне перетворення; вище 768 °С воно стає немагнітним і цю точку називають точкою Кюрі і позначають А₂.

Вуглець – є неметалевим елементом, густиною 2,5 г/см³, температура плавлення становить приблизно 4000 °С. Вуглець поліморфний. У звичайних умовах він існує у вигляді модифікацій графіту, але може існувати й вигляді местабільної модифікації алмазу. Вуглець розчиняється у залізі в рідкому та твердому станах, також може бути у вигляді хімічної сполуки – цементиту, а у високовуглецевих сплавах – у вигляді графіту.

Фази системи Fe – C:

– рідина – рідкий розчин вуглецю у залізі; існує вище лінії ліквідус, позначається літерою L;

– ферит – твердий розчин вуглецю у α-залізі, позначається Ф або Feα (α-Fe). Розрізняють низькотемпературний α-ферит, який розчиняє до 0,02 % вуглецю та високотемпературний δ-ферит з граничною розчинністю вуглецю 0,1 %.

– аустеніт – твердий розчин вуглецю у γ-залізі; позначається А або Feγ (або γ-Fe). Гранична розчинність вуглецю у γ-залізі 2,14 %. Аустеніт пластичний, але має більшу міцність ніж ферит.

– цементит – хімічна сполука заліза з вуглецем – карбід заліза Fe₃C. Цементит утримує 6,67 % вуглецю. Позначається цементит хімічною формулою або літерою Ц.

– графіт – алотропічна модифікація вуглецю. Позначається графіт літерою Г. Кристалічна решітка графіту гексагональна шарувата. Графіт м'який, має низьку міцність, електропровідний, хімічно стійкий.

Структурні складові:

Перліт – це евтектоїдна суміш фериту та цементиту, позначається літерою П, його називають ще евтектоїдом. Можна дати і таке визначення: перліт це продукт евтектоїдного розпаду аустеніту. Перліт утримує 0,8 % С і є структурною складовою. Частіше будова його пластична.

Ледебурит – евтектична суміш аустеніту та цементиту, позначається літерою Л. Суміш містить 4,3 % вуглецю. Це теж структурна складова. при охолодженні ледебуриту нижче 727 °С аустеніт, який входить до його складу, перетворюється в перліт і при нормальній температурі він являє

Рис. 8. Діаграма стану залізо-цементит

суміш цементиту та перліту. Ледебурит має велику твердість та крихкість. Він не піддається обробці тиском та майже не оброблюється різанням

Діаграма стану залізо – цементит характеризує фазовий склад та перетворення в сплавах з концентрацією від чистого заліза до цементиту. Особливість діаграми полягає у тому, що на осі концентрації часто позначають дві шкали, які вказують на кількість вуглецю та цементиту.

Точка А визначає температуру плавлення чистого заліза, точка D – температуру плавлення цементиту. Точки N і G відповідають температурам поліморфних перетворень заліза. Точки Н і Р характеризують граничну концентрацію вуглецю відповідно у високотемпературному і низькотемпературному фериті. Точка Е визначає найбільшу концентрацію вуглецю в аустеніті. Температури основних точок діаграми наведені в таблиці:

Позначені точки	Температура, °С	Концентрація вуглецю, %
А	1539	0
H	1499	0,10
J	1499	0,16
B	1499	0,51
N	1392	0
D	1260	6,67
E	1147	2,14
C	1147	4,3
F	1147	6,67
G	911	0
P	727	0,02
S	727	0,8
K	727	6,67
Q	400	0,006

 

Перетворення в сплавах діаграми стану відбувається при кристалізації рідкої фази (L) і твердому стані. Первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур, які визначаються лінією ліквідус (ABCD) і солідус (AHJECF). Вторинна кристалізація відбувається завдяки перетворенню заліза однієї алотропічної модифікації в іншу та зміни розчинності вуглецю в аустеніті та фериті. При зниженні температури ця розчинність зменшується. Лінія ES характеризує зміну концентрації вуглецю в аустеніті, а лінія PQ – у фериті. Цементит має незмінний склад (вертикальна лінія DFK), змінюється тільки форма та розмір кристалів, що впливає на властивості сплавів. Найбільші кристали цементиту утворюються, коли він виділився з рідини при первинній кристалізації, такий цементит називається первинним; цементит, який виділився з аустеніту – вторинним; цементит, який виділився з фериту – третинним. Відповідно лінія CD на діаграмі стану називається лінією первинного цементиту, ES – лінією вторинного цементиту; PQ – лінією третинного цементиту.

У системі залізо – цементит відбувається три ізотермічних перетворення:

– перитектичне перетворення на лінії HJB (1499 °С)

L_B + Ф_Н → A_J

– евтектичне перетворення на лінії PSK (1147 °С);

L_C → A_C + Ц_F

– евтектоїдне перетворення на лінії ECF (727 °С)

A_S → Ф_Р + Ц_К

Критичні точки у залізовуглецевих сплавах

Критичними точками  сплаву називають температури при яких відбуваються певні перетворення. Кожну критичну точку позначають великою літерою А з відповідним індексом:

А₁ - для точок, що відповідають лінії PSK, тобто евтектоїдному перетворенню;

А₂ - для магнітного перетворення α-заліза по лінії МО при 768 ºС (точка Кюрі);

А₃ - Для точок лінії GS, тобто для поліморфного α↔γ-перетворення, що відповідає початку виділення фериту за аустеніту при охолодженні, або кінцю розчинення фериту в аустеніті при нагріванні;

А_ст - для точок лінії SE, що відповідає початку виділення вторинного цементиту з аустеніту при охолодженні, або завершення його розчинення при нагріванні.

Практично встановлено, що температури критичних точок бувають різними залежно від того, відбувається нагрівання чи охолодження (має місце термічний гістерезис). При охолодженні поруч з літерою А ставлять індекс r, а при нагріванні - індекс с, наприклад А_с1, А _{r 1}.  

Методичні рекомендації

Студент зобов'язаний уміти на пам'ять накреслити діаграму стану залізо — цементит і визначити усі фази і структурні складові цієї системи, а також будувати за допомогою правила фаз криві охолодження (чи нагрівання) для будь-якого сплаву; чітко розбиратися в класифікації залізовуглецевих сплавів і засвоїти, що розходження між трьома класами (технічне залізо, сталь, чавун) не є формальним (по вмісту вуглецю). Різні класи сплавів принципово різні за структурою і властивостями. Необхідно знати, що технічні залізовуглецеві сплави складаються не тільки з заліза і вуглецю, але обов'язково містять постійні домішки, що попадають у сплав у результаті попередніх операцій при виплавці.

Розберіть діаграму стану залізо — графіт, що по графічному накресленню майже не відрізняється від діаграми залізо — цементит, що полегшує її запам'ятовування. Кількісні зміни в положенні ліній діаграми стосуються зсуву эвтектичної і эвтектоїдної ліній у крапці S' і Е'. Якісна зміна полягає в заміні цементиту графітом в структурі у всіх випадках.

Усвідомте вплив постійних домішок на будову чавуна і розберіться в розходженні металевої основи сірих чавунів різних класів. Запам'ятайте механічні властивості і призначення чавунів різних класів і їх маркірування. Зверніть увагу на способи одержання ковких і високоміцних чавунів. Повинна бути вивчена фізична сутність процесу графітизації.

Питання для самоперевірки

1. Дайте визначення: феріт, аустеніт,   перліт,  цементит    і ледебурит?  2. Проаналізуйте перетворення, які відбуваються в сплавах   при температурах А ₁, А ₂, А ₃, А ₄, А_{ст /}, 3. Які структура і властивості технічного заліза,
 сталі і білого чавуна? 4. Як класифікують за структурою сталі і білі чавуни?   5. У яких умовах виділяється первинний, вторинний і третинний цемент? 6. Яка будова ледебуриту при кімнатній температурі, трохи вище
 евтектоїдної температури 727 °С и трохи нижче евтектичної температури
 1147 °С? 7. У чому відмінність сірого чавуна від білого? 8. Яка будова евтектики і евтектоїда в сірому і білому чавунах? 9. Класифікація і маркірування сірих чавунів. 10. Які структури сірих чавунів? 11. Як одержують ковкий чавун? Його будова, властивості і призначення. 12. Як одержують високоміцний чавун? Його будова, властивості і призначення. 13. У чому розходження в будові ковкого і модифікованого чавунів? 14. Порівняйте механічні властивості сірого, ковкого і високоміцного чавунів.