Компоненти, фази і структурні складові системи залізо-вуглець

Перш ніж розглядати діаграму залізо-вуглець у загальному вигляді, важливо розглянути компоненти, фази і структурні складові, що утворюються в залі­зовуглецевих сплавах.

Компонентами,що утворюють систему залізо-вуглець, є залізо, вугле­ць та цементит.

Залізо — метал сріблясто-білого кольору, атомний номер 26, атомний радіус 1,27 А, температура плавлення 1539°С. Залізо має чотири алотропічні модифікації. Графік охолодження чистого заліза представлений на рис. 2.1. Закристалізоване при температурі 1539°С залізо утворює об'ємноцентровану кубічну решітку і називається 5-залізом (Ре₅). При температурі 1392°С з 5-заліза утворюється у-залізо (Ре_г), що має гранецентровану кубічну решітку. При температурі 91ГС у-залізо перетворюється в Р-залізо (Ре_р), яке при тем­пературі 768°С в свою чергу, перетворюється в а-залізо (Ре_а). Обидві моди­фікації (Ре_р і Ре_а) мають об'ємноцентровану кубічну решітку, але на відміну від р-залізо, а-залізо має феромагнітні властивості.

Рис. 2.1. Крива охолодження чистого заліза

Густина алотропічних модифікацій заліза різна: якщо густина а-заліза дорівнює 7,68 г/см³, то густина у-заліза, отримана екстраполіруванням при 20°С, зростає до 8,10 г/см³. Чисте залізо характеризується суттєвою пластич­ністю і невисокою твердістю (~~НВ 60).

Вуглець — неметалевий елемент, атомний номер 6, атомний радіус 0,77А, температура плавлення 3500°С. Він може існувати в аморфному і кри-

сталічному станах, а також утворює алотропічні модифікації, основними з яких є алмаз та графіт.

У залізовуглецевих сплавах вуглець присутній у твердих розчинах, в хі­мічно зв'язаному стані (цементиті), а в сплавах з високим вмістом вуглецю може виділятися у вигляді графіту.

Цементит — хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза РезС), в якому міститься 6,67% вуглецю, має складну щільнозапаковану ромбічну кристалічну решітку. Температура плавлення цементиту близько 1600°С. Алотропічних перетворень цементит не зазнає, але при низьких температурах має феромагнітні властивості, які втрачає при нагріванні вище 210 °С. Цеме­нтит є метастабільною (нестійкою) фазою і у сплавах з високим вмістом вуг­лецю за певних умов розпадається з виділенням вуглецю у вигляді графіту. Цементит відрізняється надзвичайно низькою, практично нульовою, пласти­чністю і дуже високою твердістю (~ НВ 800).

До фаз,які утворюються в системі залізо-вуглець, відносяться: рідкий сплав, аустеніт, ферит, цементит і графіт.

Рідкий сплав — фаза, що є рідким розчином вуглецю в залізі. У рідко­му стані залізо з вуглецем утворюють рідкий розчин з необмеженою розчин­ністю.

Аустеніт — твердий розчин (укорінення) вуглецю в у-залізі. Максима­льна розчинність вуглецю в аустеніті досягає 2,14% при температурі 1147°С.

Із зниженням температури розчинність вуглецю різко знижується і при температурі 727°С складає всього 0,81 %.

Ферит — твердий розчин (укорінення) вуглецю в а-залізі. Розчинність вуглецю у фериті значно нижча, ніж в аустеніті; це пояснюється тим, що а-залізо має об'ємноцентровану кристалічну решітку, в якій центр куба зайня­тий атомом заліза. Максимальна розчинність вуглецю у фериті при темпера­турі 727°С складає 0,02%, а при кімнатній температурі — не перевищує 0,006%. Ферит — м'яка і пластична фаза, його твердість ~ НВ 80.

Цементит, будучи компонентом системи, також є і фазою, оскільки однорідний за своїм складом та властивостями і має чітко виражену межу розділу.

Графіт як фаза зустрічається в сплавах з високим вмістом вуглецю (в чавунах) і має звичайну гексагональну кристалічну решітку. Графіт м'який і має низьку міцність, електропровідність.

Структурні складові — ледебурит і перліт — утворюються з фаз систе­ми і є механічними сумішами.

Ледебурит — механічна суміш аустеніту і цементиту, що містить 4,3% вуглецю і кристалізується при постійній температурі 1147°С. Отже, ледебу­рит є евтектикою, що включає дві фази: аустеніт і цементит. При охолоджен­ні нижче 727°С ледебурит видозмінюється. Видозмінений ледебурит є меха­нічною сумішшю цементиту і перліту, на який перетворюється аустеніт. Тве­рдість видозміненого ледебуриту коливається від НВ 530 до НВ 550.Перліт — механічна суміш фериту і цементиту, що містить 0,81% вуг­лецю і утворюється при постійнійтемпературі 727°С з аустеніту при його охолодженні. Перліт має всі властивості евтектики, але на відміну від леде­буриту називається евтектоїдом, оскільки утворюється з твердого, а не з рід­кого розчину. Перліт зазвичай має пластинчасту буДову (цементит виділяєть­ся у вигляді пластин). Твердість перліту становить ~ НВ 180. Проте в залізо­вуглецевих сплавах може зустрічатися й інший різновид перліту — зернис­тий перліт, у якого в результаті спеціальної термічної обробки (відпал на зер­нистий перліт) цементитні включення коагулюються і набувають округлу (зе­рнисту) форму. Зернистий перліт дещо м'якший і пластичніший пластинчас­того перліту.