Структури залізовуглецевих сплавів
Залізовуглецеві сплави – сталі та чавуни – найважливіші металеві сплави сучасної техніки. Виробництво чавуну та сталі за обсягом перевершує виробництво всіх інших металів разом узятих більш ніж удесятеро.
Діаграма стану залізо - вуглець дає основне уявлення про будову залізовуглецевих сплавів - сталей та чавунів.
Початок вивчення діаграми залізо – вуглець поклав Чернов Д.К. 1868 року. Чернов вперше вказав на існування в сталі критичних точок та на залежність їхнього стану від вмісту вуглецю.
Діаграма стану залізо – цементит представлено на рис. 9.1.
Мал. 9.1. Діаграма стану залізо – цементит
Компоненти та фази залізовуглецевих сплавів
Компонентами залізовуглецевих сплавів є залізо, вуглець та цементит.
1. Залізо - перехідний метал сріблясто-світлого кольору. Має високу температуру плавлення - 1539 oС5 oС.
У твердому стані залізо може бути у двох модифікаціях. Поліморфні перетворення відбуваються при температурах 911 oСі 1392 oЗ. При температурі нижче 911 oСіснує з об'ємно-центрованими кубічними гратами. В інтервалі температур 911…1392 oСстійким є з гранецентрованими кубічними гратами. Вище 1392 oСзалізо має об'ємно-центровану кубічну решітку і називається високотемпературне. Високотемпературна модифікація не є новою алотропічною формою. Критичну температуру 911 o З перетворення позначають точкою, а температуру 1392 oЗперетворення - точкоюА4.
При температурі нижче 768 oСзалізо феромагнітно, а вище - парамагнітно. Точка Кюрі заліза 768 oСпозначаєтьсяА2.
Залізо технічної чистоти має невисоку твердість (80 НВ) і міцність (межа міцності – , межа плинності –) та високі характеристики пластичності (відносне подовження –, а відносне звуження –). Властивості можуть змінюватись у деяких межах залежно від величини зерна.
Залізо характеризується високим модулем пружності, наявність якого проявляється і в сплавах на його основі, забезпечуючи високу жорсткість деталей цих сплавів.
Залізо з багатьма елементами утворює розчини: з металами – розчини заміщення, з вуглецем, азотом та воднем – розчини застосування.
2. Вуглець відноситься до неметалів. Має поліморфне перетворення, залежно від умов утворення існує у формі графіту з гексагональними кристалічними гратами (температура плавлення -35000С, щільність -2,5 г/см3) або у формі алмазу зі складними кубічними гратами з координаційним числом рівним чотирьом (температура плавлення -50000С).
У сплавах заліза з вуглецем вуглець знаходиться у стані твердого розчину із залізом і у вигляді хімічної сполуки – цементиту (Fe3C), а також у вільному стані вигляді графіту (у сірих чавунах).
3. Цементит (Fe3C) –хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза), містить6,67 %вуглецю.
Алотропічних перетворень не зазнає. Кристалічні грати цементиту складається з ряду октаедрів, осі яких нахилені один до одного.
Температура плавлення цементиту точно не встановлена (1250, 1550 oС). При низьких температурах цементить слабо феромагнітний, магнітні властивості втрачає при температурі близько 217 oС.
Цементит має високу твердість (більше800 НВ, легкодряпає скло), але надзвичайно низьку, практично нульову, пластичність. Такі властивості є наслідком складної будови кристалічних ґрат.
Цементит здатний утворювати тверді розчини заміщення. Атоми вуглецю можуть заміщатися атомами неметалів: азотом, киснем; атоми заліза – металами: марганцем, хромом, вольфрамом та інших. Такий твердий розчин з урахуванням ґрат цементиту називаєтьсялегованим цементитом.
Цементит – з'єднання нестійке і за певних умов розпадається з утворенням вільного вуглецю як графіту. Цей процес має важливе практичне значення при структуроутворенні чавунів.
У системі залізо – вуглець існують такі фази: рідка фаза, ферит, аустеніт, цементит.
1. Рідка фаза. У рідкому стані залізо добре розчиняє вуглець у будь-яких пропорціях з утворенням рідкої однорідної фази.
2. Ферріт (Ф)(C) -твердий розчин впровадження вуглецю в-залізо.
Феррит має змінну граничну розчинність вуглецю: мінімальну –0,006 %при кімнатній температурі (точкаQ), максимальну –0,02 %при температурі 727 oС(точкаP). Вуглець знаходиться в дефектах грат.
При температурі вище 1392 oСіснує високотемпературний ферит () ((C), з граничною розчинністю вуглецю0,1 %при температурі 1499 oС(точкаJ)
Властивості фериту близькі до властивостей заліза. Він м'який (твердість -130 НВ, межа міцності -) і пластичний (відносне подовження -), магнітний до 768 oС.
3. Аустеніт (А)(С)- твердий розчин впровадження вуглецю в-залізо.
Вуглець займає місце в центрі гранецентрованого кубічного осередку.
Аустеніт має змінну граничну розчинністьвуглецю: мінімальну –0,8 %при температурі 727 oС(точкаS), максимальну –2,14 %при температурі 1147 oС(точкаЕ).
Аустеніт має твердість200...250 НВ, пластичний (відносне подовження -), парамагнітний.
При розчиненні в аустеніті інших елементів можуть змінюватись властивості та температурні межі існування.
4. Цементит -характеристика дана вище.
У залізовуглецевих сплавах присутні фази: цементит первинний(ЦI),цементит вторинний(ЦII),цементит третинний (ЦIII). Хімічні та фізичні властивості цих фаз однакові. Вплив на механічні властивості сплавів надає різницю у розмірах, кількості і розташуванні цих виділень. Цементит первинний виділяється із рідкої фази у вигляді великих пластинчастих кристалів. Цементит вторинний виділяється з аустеніту і розташовується у вигляді сітки навколо зерен аустеніту (при охолодженні навколо зерен перліту). Цементит третинний виділяється з фериту та у вигляді дрібних включень розташовується біля меж феритних зерен.