Діаграма стану залізо-вуглець

Діаграма стану залізо — вуглець охоплює залізовуглецеві сплави, які містять від 0 до 6,67 % С. Ці сплави мають широке промислове застосування. Коли масова частка вуглецю становить 6,67 %, утворюється стійка хімічна сполука Fe₃C — карбід заліза, або цементит. Fe₃C можна розглядати як окремий компонент системи залізо — цементит. Сплави з концентрацією вуглецю, що перевищує 6,67 %, практично не використовуються через їхні незадовільні механічні властивості.

Діаграму залізо — вуглець подано на рисунку 1. В координатах температура t — концентрація компонентів — нанесені лінії діаграми, на кожній з яких відбуваються певні структурні перетворення. Розглянемо ці перетворення під час охолодження. На лінії ліквідус ABCD маємо початок, а на лінії солідус AHJECF — кінець кристалізації. Тут на ділянці АВ лінії ліквідус рідкий розчин переходить у ферит, на ділянці ВС — в аустеніт, а на ділянці CD — у цементит первинний Ц_І. Кристалізація фериту закінчується на ділянці АН, а аустеніту — на ділянці JE лінії солідус. Зупинимось окремо на двох перетвореннях, що відбуваються при сталих температурах на лініях HJB і ECF.

При температурі 1499 °С (лінія HJB) відбувається перитектична реакція, під час якої із фериту Ф концентрації вуглецю в точці Н (0,1 %С) і рідкого розчину Р концентрації вуглецю в точці В (0,5 %С) утворюється аустеніт А концентрації вуглецю в точці J (0,16 %С):

Ф_н+Р_в (1).

При температурі 1147 °С (лінія ECF) рідкий розчин Р концентрації складу точки С (4,3 % С) евтектично перетворюється, внаслідок чого виникає дрібна двофазова структура, що називається ледебуритом Л:

(2)

Рисунок 1 - Діаграма стану залізо-вуглець

Отже, на лінії солідус закінчується первинна кристалізація і нижче від цієї лінії починається вторинна кристалізація.

Вторинна кристалізація зумовлена двома причинами:

- поліморфізмом заліза;

- температурною зміною розчинності вуглецю у фериті та аустеніті.

Як відомо, під час поліморфних перетворень один тип кристалічної комірки перебудовується в інший. На лінії HN маємо початок перетворення фериту (ОЦК) в аустеніт (ГЦК), а на лінії JN — кінець такого перетворення. В свою чергу на лініях GS і GP аустеніт починає і закінчує перетворюватись у ферит. Тому нижче від лінії GP маємо однофазову феритну структуру з концентрацією вуглецю до 0,02 %. Залізовуглецеві сплави з кількістю вуглецю від 0 до 0,02 %, які при температурі 727 °С (точка Р) мають лише однофазову феритну структуру, називають технічним залізом.

Залізовуглецеві сплави з концентрацією вуглецю від 0,02 до 2,14 %, які при температурі 1147 °С (точка Е) мають лише однофазову аустенітну структуру, називають сталями. Пластичність аустеніту висока, тому сталі добре обробляються тиском, особливо коли їх нагріти вище від ліній GSE.

Розчинність вуглецю в аустеніті й фериті залежить від температури. ES є лінією граничної розчинності вуглецю в аустеніті. Зі зниженням температури від 1147 °С (точка Е) до 727 °С (точка S) максимальна розчинність вуглецю в аустеніті зменшується від 2,14 до 0,8 %. Вуглець виділяється із

γ -заліза з утворенням вторинного цементиту ЦІІ. Очевидно, що лівіше

від лінії ES маємо ненасичені тверді розчини, на самій лінії — насичені, нижче від неї — насичені тверді розчини й вторинний цементит, який на відміну від первинного цементиту виділяється не з рідкого, а з твердого розчину.

PQ — лінія граничної розчинності вуглецю у фериті. Зниження температури від 727 °С (точка Р) до 0 °С (точка Q) зменшує максимальну розчинність вуглецю у фериті від 0,02 до 0,006 %, що зумовлює виділення із фериту третинного цементиту ЦІІІ. Ось чому справа від лінії PQ маємо насичений ферит і третинний цементит.

Окремо розглянемо евтектоїдне перетворення, яке нагадує евтектичне, але відрізняється від останнього тим, що в його основі лежить розпад не рідкого, а твердого розчину. Йдеться про розпад аустеніту складу точки S, внаслідок чого утворюється дуже дрібна двофазова феритно-цементитна структура фериту й цементиту, яка називається перлітом П:

A_s П(Ф_Р+Цк) (3)

У сталях в інтервалі концентрацій вуглецю Р — S аустеніт перетворюється у ферит, починаючи від температур лінії GS і закінчуючи температурою лінії PSK. Тут аустеніт збагачується вуглецем відповідно до лінії GS і при температурі 727 °С зазнає евтектоїдного перетворення за реакцією (3).

Під час охолодження сталей, що лежать правіше від точки S, в межах температур, які відповідають лінії ES, із аустеніту виділяється вторинний цементит. Під час виділення вторинного цементиту (6,67 % С) концентрація вуглецю в аустеніті зменшується по лінії ES і при температурі 727 °С аустеніт з 0,8 % С перетворюється в перліт.

За структурою у рівноважному стані розрізняють доевтектоїдні, евтектоїдні та заевтектоїдні сталі.

Доевтектоїдні сталі містять від 0,02 до 0,8 % вуглецю і мають феритно-перлітну структуру у вигляді світлих зерен фериту (рисунок 2а) і темних зерен перліту.

Евтектоїдна сталь містить 0,8 % вуглецю, її структура - зерна перліту, що складаються здебільшого із пластинок цементиту та фериту. Пластинки цементиту порівняно тонші й світліші (рисунок 2б).

Заевтектоїдні сталі містять від 0,8 до 2,14 % вуглецю. В структурі цих сталей є зерна перліту темного кольору (рисунок 2в) і тонка світла мережа вторинного цементиту по границях зерен перліту.

Залізовуглецеві сплави з концентрацією вуглецю від 2,14 до 6,67 % називають чавунами. Якщо весь вуглець у чавунах перебуває у вигляді хімічної сполуки Fe₃C, то такі чавуни називають білими. В структурі білих чавунів наявний ледебурит, що утворився на лінії ECF під час евтектичної реакції (2). Чавуни, розташовані зліва від точки С, по закінченні первинної кристалізації мають структуру первинного аустеніту та ледебуриту, а відповідно чавуни справа від точки С — структуру первинного цементиту й ледебуриту. Під час охолодження в інтервалі температур від 1147 °С (лінія ECF) до 727 °С (лінія PSK) гранична розчинність вуглецю в первинному аустеніті й аустеніті евтектики зменшується від 2,14 % (точка Е) до 0,8 % (точка S) і виділяється вторинний цементит. При температурі 727°С аустеніт з концентрацією вуглецю 0,8 % евтектоїдно перетворюється у перліт.

За структурою білі чавуни поділяються на:

- евтектичні (4,3 % С), структура: видозмінений ледебурит;

Рисунок 2 - Мікроструктура сталей: а — доевтектоїдної; б — евтектоїдної;

в — заевтектоїдної; а — б — х 300; в — х 500

— доевтектичні (2,14...4,3 % С), структура: перліт + вторинний цементит + видозмінений ледебурит;

— заевтектичні (4,3...6,67 % С), структура: первинний цементит + видозмінений ледебурит.

Отже, в структурі всіх білих чавунів наявна евтектика — ледебурит дуже твердий (≈650 НВ) і малопластичний. Ледебурит сформований з окремих зерен — колоній, а кожна колонія складається із суцільної цементитної матриці 1 (рисунок 3) і вкраплень аустеніту 2 (перліту). Вкраплення евтектичних структур бувають у вигляді пластинок (рисунок 3а), стрижнів (рисунок 3б) або глобул (рисунок 3в). Аустеніт у структурі ледебуриту є переважно у вигляді стрижнів (рисунок 3б), які в перерізі залежно від орієнтації колоній до полірованої поверхні мікрошліфа можуть мати продовгувату (рисунок 3г), овальну (рисунок 3д) або округлу (рисунок 3е) форму.

Рисунок 3 - Схема будови евтектичної колонії:

1 - матриця; 2 - вкраплення у вигляді пластин (а), стрижнів (б) і глобулів (в); переріз колонії (б) площиною П_в уздовж стрижнів (г), площиною Пп під кутом до них (д) і площиною (Пг), що проходить перпендикулярно до стрижнів (е)

У структурі евтектичного білого чавуну (рисунок 4а) бачимо колонії, перлітні стрижні яких потрапили:

—у поперечний переріз (верхня і нижня ліва, середня та нижня права частини фотографії),

—у поздовжній переріз (верхня середня частина фотографії),

—

у скісний переріз (верхня права частина фотографії).

Рисунок 4 - Мікроструктура (х 300) білих чавунів: евтектичного (а), доевтектичного (б) і заевтектичного (в)

Матриця цементиту на фотографії — світла, а стрижні перліту — темні.

У структурі доевтектичного білого чавуну (рисунок 4б) є порівняно великі зерна перліту, що утворились із первинного аустеніту, і ледебурит — цементитна матриця з дрібними вкрапленнями перліту. Вторинний цементит злився з цементитом евтектики, тому не вдається його видокремити як структурну складову.

У структурі заевтектичного білого чавуну (рисунок 4в) великі голчасті світлі зерна первинного цементиту оточує ледебурит.

Дата добавления: 2014-01-07