Дәріс 7. Темір – көміртегі жүйесінің (Ғе – С) күй – кесте сызбасы. Fе – Fе3С жүйесіндегі фазалар.

Темір – көміртегі жүйесінің күй – кесте сызбасы қорытпа күйінің графикалық көрінісін көрсетеді. Барлық темір – көміртегі қорытпалар екі үлкен топқа бөлінеді: болаттар және шойындар, олар техникада кеңінен қолданылатын материалдар болып табылады. Сондықтан темір – көміртегі күй – кесте сызбасын (Ғе – С) тереңдетіп оқыту, қажетті болаттар немесе шойындардың ентаңбасын, сонымен қатар оларды термиялық және технологиялық өңдеу режимдерін дұрыс таңдауға мүмкіндік береді. 7.1 – суретте көрсетілген кесте – сызбадағы тұтас сызықтар темір – көміртекті қорытпалардың – көміртегі мөлшері 0 – ден 6,67 % дейін болатын болаттар мен шойындарды сипаттайды. Концентрациясы 6,67 % С бар қорытпа темір карбидіне Fе₃С сәйкес келеді. Темір – күмістей – ақ түсті металл, периодтық жүйенің UIII тобында орналасқан ауыспалы металл болып табылады.

Атомдық номері 26, атомдық массасы 55,8, атомдық радиусы 0,127 нм. Темірдің балқу температурасы 1539 ^оС. Жоғары дәрежелі таза темірді дайындалу әдісі бойынша ғана емес, құрамы бойынша да арнайы болаттар ретінде қарастыруға болады. Таза темірдің қасиеттері және оларды өзгерту мүмкіндіктері, көптеген жағдайларда арнайы болаттардың қасиеттерін және оларды өңдеудің әдістерін таңдаумен анықталады.

7.1 – сурет. Темір – көміртегі жүйесінің (Ғе – С) күй – кесте сызбасы

әдістерін таңдаумен анықталады.

Соңғы жылдары темірдің таза түрлерін дайындауда жоғары жетістіктер болса да, өндіріс көлемінде толық таза темірді алу мүмкін болмай отыр. Өте таза шихтаны қолдану және балқыту процесін жетілдіру, қазіргі жағдайларда металлургиялық әдістермен дәрежесі 99,8 – ден 99,9% – ға дейін болатын темірлерді алу мүмкіндігі туындады (мысалы, өте жұмсақ болат, армко – темір, шведтік темір).

Өте таза темірді өндірістік жағдайларда электролиз әдісімен (электролиттік темір) немесе карбонильді процеспен (карбонильді темір) алуға болады. Қайта балқыту немесе вакуумде жасыту әдісімен, сутегінде және вакуумде ауыспалы жасыту жолымен «техникалық таза» темірден қалдық қоспалардың көптеген мөлшерін (сутегі, оттегі, көміртегі, азот және т.с.с.) шығарып, темір мөлшерін 99,95 – 99,98% жеткізуге болады.

Соңғы жылдары техникалық таза темірді қайта балқыту және тотықтыру әдістерімен алу кеңінен қолданылуда, бірақ бұл әдістер тек лаборатория жағдайларында ғана жасалады, алынған нәтиже – шамамен 99,98%. Темір кристалданғанда текше жүйе торын түзеді.

Температураның жоғарлауына байланысты темір қасиеттері әртүрлі өзгерістерге ұшырайды, олар көбінесе фазалық түрленулармен байланысты және темірді техникалық қолдануға маңызды әсер етеді.

Бөлме температурасы кезіндегі темірдің түрленуін a – темір деп белгілейді. Бұл түрлену көлемдік жинақталған текше (КЖТ) торға ие болады (7.2 – сурет). Егер таза темірдің бөлме температурасынан балқу температурасына дейінгі қыздыру және салқындату қисығын тұрғызса (7.3 – сурет), онда белгілі бір нүктелерде температуралық қисықтарда тежелулермен сипатталатын, секірмелі өзгерістерді байқауға болады. Бұл нүктелер А₂, А₃, А₄ деп белгіленеді және осы нүктелер қыздыру кезінде анықталған болса, қосымша с әріпімен,салқындату кезінде анықталған – r әрәпәмен белгіленеді, мысалы Ас₃ немесе Аr₃.

768 ^оС кезінде болатын бірінші тежелуді А₂ фазалық түрленуге жатқызады. Бөлме температурасы кезінде тұрақты a – темірге қарағанда тр А₂ және А₃ аралығында тұрақты болады, b – темір деп белгіленеді.

Көміртегі – металл емес, периодтық жүйенің ІV – тобында орналасқан, атомдық рет саны 6, атомдық салмағы 12, атомдық радиусы 0,077 нм, балқу температурасы»3500⁰С. Көміртегі полиморфты екі аллотропиялық пәшәнә бар: графит және алмас. Графит аллотропиялық пішінің әдеттегі жағдайларында тұрақты болып табылады. Алмасты жоғары өысым және температураларда алады.

7.2 – сурет. a – және g – темір торларында атомдардың орналасуы: а) g – темір, бөлме температурасы кезіндегі тор периоды 2,86 kX; б) g – темір, 900°С температура кезіндегі тор периоды 3,64 kX	7.3 – сурет. Таза темірді қыздыру (оң жағында) және салқындату (сол жағында) сұлбалық қисығы

Қорытпаларда темір көміртегімен әрекеттесуі кезінде көміртегі темір торларының атом аралық кеңістігіне енеді, себебі көміртегінің атомдық радиусы темірдікіне қарағанда екі есе кіші болғандықтан темір торына ену механизмі бойынша өтеді, сонымен қатар Fe₃C, Fe₂C және т.б. химиялық қосылыстар түзеді. Fe₃C қосылысы ең аз көміртегі концентрациясына (6,67%) ие болады, сондықтан күй кесте сызбаның темірден химиялық қосылысқа дейінгі Fe₃C бөлігін жеке қарастыруға болады.

Темір – цементит жүйесі (Fe – Fе₃C) толық тұрақты болмайды, себебі темір карбиді Fе₃С қыздырудың белгілі бір жағдайларында тұрақсыз және бас көміртегі – гарфит түзілгенде ыдырайды. Осыдан, цементиттің қайтымсыз ыдырауы мүмкін болатын, темір – цементит жүйесі (Fe – Fе₃C) метатұрақты болып келеді.

7.4 – сурет. Графиттің кристалдық торы	7.5 – сурет. Алмастың кристалдық торы

Тепе – теңдік (стабильді) жүйеде өтетін түрленулер әрқашан толығымен қайтарымды болады. Егер қыздыру кезінде цементит темір және графитке ыдыраса, онда салқындату кезінде түрленулер кері бағытта жүргізілуі керек, бірақ шындағында ол өтпейді.

Темір – цементит күй – жай кесте сызбасындағы (Fe – Fе₃C) негізгі нүктелер латын әріптерімен белгіленеді, ол халықаралық тәжірибеде жалпы қабылданған. Темір – цементит күй – жай кесте сызбасындағы негізгі нүктелердің координаталары және олардың әріптік белгіленуі 7.1 – кестеде көрсетілген.

7.1 – кесте

Темір – цементит күй – жай кесте сызбасындағы негізгі нүктелердің координаталары

Кесте – сызбадағы нүктелердің белгіленуі	Температура, °0	Көміртегі концентра–циясы, %	Кесте – сызбадағы нүктелердің белгіленуі	Температура, °0	Көміртегі концентра–циясы, %
А			D	~1500	6,67
В		0,5	G
Н		0,1	P		0,025
J		0,16	S		0,8
N			K		6,67
E		2,14	Q	~600	0,006
C		4,30	L	~600	6,67
F		6,67

Fе – Fе₃С жүйесіндегі фазалар. Fе – Fе₃С кесте сызбаларына сәйкес темір – көміртек қорытпаларында келесідей фазалар түзіледі: темірдегі көміртегінің сұйық ерітіндісі (балқымасы), феррит, аустенит, цементит. Феррит – a – темірде көміртегі атомдарының ену қатты ерітіндісі. Феррит латынның Fеrrum – темір деген сөзінен алынған. Қасиеттері бойынша феррит темірге ұқсас болады. Ферриттің кристалдық торы – көлемдік жинақталған текше (КЖТ) болады.

Темірдің КЖТ торынан жоғары температуралы (Fе_d) және төменгі температуралы (Fе_а) түрөзгеруінің болуына сәйкес жоғары температуралы және төменгі температуралы фериттер болады. Феррит ену қатты ерітіндісі болып табылады. Көміртегі атомдары темір атомдарының Fе_а кристалдық торының атом аралық кеңістігінде орналасады. КЖТ тордағы кеңістіктің өлшемдерінің өте кіші болғандығынан көміртегі атомдарының көптеген бөлігі тор ақауларында (вакансия, дислокация) орналасады. Көміртегі орналаса алатын, Fе_а темірдің КЖТ торының атом аралық кеңістігі 0,291_rэ өлшеміне ие болады, мұндағы r – темір атомының радиусы.

Осы құбылыс Fе_а темірде көміртегінің аз ерігіштігін түсіндіреді. Төмен температуралы ферриттегі көміртегінің максималды концентрациясы 727 °С кезінде 0,025 %, ал жоғары температуралы ферритте 1499 °С кезінде 0,1 % құрайды. Ферритте көміртегінің еруі өзгеріп отырады, бөлме температурасына дейін салқындатқанда ол 0,006 % С құрайды.

Феррит жұмсақ және созымды, ол келесідей механикалық қасиеттерге ие болады: s_в = 250 МПа; s_0,2, = 120 МПа; d = 50 %; y = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м²; НВ 80. Феррит Fе_а сияқты 768 °С дейн магнитті болады. Микроскоппен қарағанда феррит біртекті түйірлен түрінде көрінеді. Ферритті Ф немесе a әріпімен белгілейді.

768 ^оС температура кезінде (Кюри нүктесі) темір магниттік түрленуге ұшырайды, осы нүктеден жоғары темір магниттік қасиетін жоғалтады. Магниттік түрлену кезінде қайта кристалдану болмайды.

Аустенит – g – темірге көміртегінің ену қатты ерітіндісі. Аустениттің кристалдық торы қырларына жинақталған текше тор (ҚЖТ) болады. Көміртегі орналаса алатын атом аралық кеңістіктердің өлшемдері ҚЖТ торында КЖТ торына қарағанда екі есеге дейін үлкен, сондықтан Fe _g темірде Fe _a темірге қарағанда көміртегінің ерігіштігі жоғары болады. Аустенитте көміртегінің максималды концентрациясы 1147 ^оС кезінде 2,14 % және 727^оС кезінде 0,8 % құрайды. Аустенит Fe_a темір сияқты магнитті емес, ферритке қарағанда меншікті көлемі аз болады. Аустенит созымды (d = 40 – 50 %), қаттылығы НВ 160 – 200. Аустенит А немесе g әріпімен белгіленеді. Цементит 210 °С дейін ферромагнитті, өте жоғары қаттылыққа (НВ 800 немесе HRC 65) ие, морттылығы жоғары, өте нашар уландырылады. Көміртекті болаттарда цементит пластинка немесе тор түрінде, ал кейбір жағдайларда түйірлер түрінде түзіледі.

7.6 – сурет. Аустениттің кристалдық торы	7.7 – сурет. Цементиттің кристалдық торы

Цементитті этил спиртіндегі азот қышқылының ерітіндісімен уландарған кезде ашық түсті кескінге ие болады.

Перлит – екі фазалы құрылымдық құрастырушы, 727 °С температурасы кезіндегі аустениттің эвтектоидты түрлену өнімі. Перлит – механикалық қоспа, ол ферритті негізде орналасқан, цементиттің өте майда пластинкаларынан немесе түйірлерінен құралады. Эвтектоидты болаттың (0,83 % С) уландырылған үлгісінінің беті күлгін (перламутр) тәрізді болады, осыған байланысты құрылымды перлит деген атауға негіз болған. Перлиттің механикалық қасиеті Механические свойства перлита зависят от степени 1500 ^oС)— температуре плавления цементита. N нүктесі (1392 °С) полиморфты түрлену температурасына Fе_d «Fе_g, G нүктесі (911 °С) полиморфты түрлену температурасына Fе_g «Fе_a жауап береді.

Fе – Fе₃С күй – жай кесте сызбасын талдау оның кейбір бөлімдерінің қарапайым кесте сызбаларынмен ұқсас екенін көрсетеді. Fе – Fе₃С күй – жай кесте сызбасының жоғарғы сол жақ бөлігі перитектикалық түрдегі күй – жай кесте сызбасына сәйкес келеді. Мұндағы АВ – ликвидус және АН – солидус сызықтары жоғары температуралы феррит түзетін, сұйық металдың кристалданудың басталу және аяқталу температураларын көрсетеді. HJВ сызығына сәйкес келетін температуралар кезінде перитектикалық түрленулер өтеді.

Fе – Fе₃С күй – жай кесте сызбасының жоғарғы оң жақ бөлігі эвтектикалық түрдегі күй – жай кесте сызбасының түрлері болып табылады. ВС (ликвидус) және ЈE (солидус) сызықтары сәйкес келетін құрамды сұйық қорытпадан аустенит кристалдарының түзілуінің басталу және аяқталу температурасын көрсетеді. СD сызығы цементит кристалдары түзілетін сұйық қортыпалардың кристалдануының басталу температурасын көрсетеді. ЕСҒ – сызығы – эвтектикалық горизонталь, осы температуралар кезінде қорытпаларда эвтектикалық түрленулер өтеді. Fе – Fе₃С күй – жай кесте сызбасының төменгі бөлігінде РSK эвтектоидтық горизонтальға сәйкес келетін температуралар кезіндегі эвтектоидтық түрленуге ие болады. NН және NJ сызығы салқындату кезінде жоғары температуралы ферриттің аустенитке және қорытпаны қыздыру кезінде аустениттің ферритке полиморфты түрлену температурасының басталуын және аяқталуын көрсетеді. GS және GР сызықтары салқындату кезінде аустениттің ферритке және қыздыру кезінде қортыпаның ферриттен аустенитке полиморфты түрленуінің басталу және аяқталу температурасына сәйкес келеді.

SЕ – сызығы g – темірде көміртегінің шекті ерігіштігінің сызығы (аустенитте көміртегі концентрациясының шекті еруін анықтайды). PQ сызығы – a –темірде көміртегінің шекті еру сызығы. Темір – көміртегі қорытпаларындағы маңызды түрлену температуралары немесе критикалық нүктелері А_с әріпімен және сәйкес индекстермен белгіленеді. Төменде кесте сызба сызықтары жіне сәйкес критикалық нүктелер көрсетілген.

Кесте сызбалар сызықтары. РSК GS SЕ NJ

Критикалық нүктелер А₁ А₃ А_cm A₄

Жалпы жағдайларда салқындату және қыздыру кезінде критикалық нүктелер күй – жай кесте сызбасындағы тепе – теңдік күйіндегі сызықтармен толық сәйкес келмеуі мүмкін. Қыздыру кезінде олар осы сызықтардан жоғары, ал салқындату кезінде төмен болады. Сондықтан критикалық нүктелерді қосымша белгілеу енгізілген, оларды термиялық өңдеу кезінде қолданады. Қыздыру кезіндегі критикалық нүктелерді белгілеу үшін с әріпін, ал салқындату кезінде – r әріпімен белгіледі, мысалы, А_с1 А_с3, А_с4 – француздың сhoffage – қыздыру сөзінің бірінші әріпін, ал француздың refroidissment – салқындату сөзінің бірінші әріпін алған.

МО сызығы ферриттің магниттік күйден магнитсіз күйге (768 ^oС) түрлену температурасын көрсетеді. Бұл түрленудің фазалық қайта кристалданумен байланысы жоқ және фазалық түрленулер қатарына жатпайды. Магниттік түрлену температурасы А₂ нүктесімен белгіленеді. S нүктесі (0,8 % С) эвтектоидты нүкте деп аталады.

Қатты ерітіндінің ыдырауы кезінде алынатын жаңа фаза кристалдарының қоспасы эвтектоид деп аталады (этектика деп аталатын –сұйық ерітіндінің кристалдануы кезінде түзілетін қоспаға қарағанда). Темір – көміртегі қорытпаларында эвтектоидтық (Ф + Ц) перлит деп атайды. Перлит әдеттегі салқындату кезінде алынады және пластинка тәрізді құрылымға ие болады. Перлитті П әріпімен белгілейді, аталуы эвтектоидты құрылымды (0,8 % С) болаттан жасалған үлгіні уландырған кезде күлгін (перламутр) түске ие болатындығынан аталған.

7.8 – сурет. Екінші ретті кристалдану процесіндегі болат құрылымының өзгеруі

Болаттар көміртегінің мөлшеріне байланысты құрылымы бойынша келесі топтарға сыныпталады: 0,8 % дейін көміртегі бар – эвтектоидқа дейін, 0,8 % көміртегімен эвтектоидтық және 0,8 % – дан жоғары көміртегі бар болса эвтектоидтан кейінгі деп аталады. Құрамында 0,8 % көміртегі бар болаттың құрылымы тек қана перлиттен П (Ф + Ц) құралады. Эвтектоидтан кейінгі болаттың құрылымы екі құрастырушыдан құралады: екінші ретті цементит және перлит немесе Ц_II + П (Ф + Ц). Құрамында 2,14 % көміртегі бар эвтектоидтан кейінгі болаттың құрамындағы екінші ретті цементиттің мөлшері ~ 20 % құрайды.

Сондықтан тепе – теңдік жағдайларында толық салқындатудан кейін болаттардың құрылымы келесідей құрылымға ие болады: эвтектоидқа дейінгі болат – феррит + перлит (Ф + П); эвтектоидты болат – перлит, (П); эвтектоидтан кейінгі болат – екінші ретті цементит + перлит, (Ц_II + П).

Перлиттегі феррит пен цементиттің мөлшерлік қатынасы кесінділер ережесі бойынша анықталуы мүмкін (Fe – Fе₃С күй – жай кесте сызбасын қарастырамыз):

Q_ф/Q_ц = SК/SР = (6,67 – 0,8)/(0,8 – 0,025) = 7,5

мұнда Q_ф – феррит мөлшері(масса);

Q_ц – цементит мөлшері (масса).

Феррит пен цементит тығыздығы шамамен бірдей, сондықтан феррит пен цементиттің көлемдерінің қатынасы массаларының қатынасындай болады деп есептеуге болады. Осыдан басқа да бірдей өлшемдер кезінде (ұзындығы және ені) феррит пластинкасының қалыңдығы цементиттікіне қарағанда 7,5 есе үлкен болады.

Салқындату жылдамдығын өзгерте отырып, әртүрлі дисперсиялы перлит алуға болады және осылай болаттың қасиеттерін реттеуге болады.

Нег. 2 [118 – 143]

Бақылау сұрақтары:

1. Темір – көміртегі жүйесінде түзілетін фазаларды атаңыз?

2. Конструкциялық болаттардағы қасиеттерін, құрылымын, фазалық құрамын, көміртегі мөлшерін көрсетіңіз?

3. Темірдің полиморфты түрлену тампературасын атаңыз?

4. Феррит, перлит, аустенит және цементит дегеніміз не?

5. Қандай болаттар эвтектоидқа дейінгі болаттар деп аталады?

6. Қандай болаттар эвтектоидтық болаттар деп аталады?

7. Қандай болаттар эвтектоидтан кейінгі болаттар деп аталады?

Дата добавления: 2013-12-13