Көміртекті темір қорытпаларының құрылымдық құраушылары

Табиғатта металдар таза күйінде өте сирек қолданылады. Техникада көміртекті темір қорытпалары болат пен шойын түрінде, құрастырушы материал ретінде жиі қолданылады.

Көміртекті темір қорытпалары құрамындағы көміртегінің мөлшері мен температураға байланысты әр түрлі құраушылардан тұрады (3.1 суретті қара).

Т е м і р - болаттың негізгі құраушысы, қатты күйінде ол α және екі модификациялық түрінде болады.

К ө м і р т е г і- екінші негізгі құраушысы, ол болат құрамына және барлық қасиеттеріне, оның беріктігіне, өндіру мен пайдалану сипаттамасына әсер етеді. Мысалы болат құрамындағы көміртегі мөлшері артқан сайын оның қаттылығы, беріктігі артады да, пластикалық қасиеті азаяды. Көміртегі бейметалл, полиморфты өзгеріске ие. Көміртегі табиғатта екі түрлі модификацияда болады. Күрделі торлы куб алмаз түрінде (балқу температурасы – 5000⁰С) және жәй параметрлі а=1,48, с=3,4А тең гексогонольды торлы графит түрінде (балқу температурасы – 3500⁰С, тығыздығы – 2,5 г/см³) болады.

Көміртекті темір қорытпасында көміртегі цементит (Fe₃C) химиялық қосылыс түріндегі қатты ерітінді күйінде және графит түрінде еркін күйде (сұр шойындарда) кездеседі.

Көміртекті темір жүйесінде – келесі фазалар болады: сұйық фаза, феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит.

С ұ й ы қ ф а з а. Темір сұйық күйінде көміртегін кез-келген мөлшерде жақсы ерітеді, бір текті сұйық фаза түзеді.

Ф е р р и т – көміртегінің альфа темірдегі (α - Fе) қатты ерітіндісі. 723^о С температурада (P нүктесі). көміртегінің α – Fе-дегі ерігіштігі 0,02%, ал температура төмендеген сайын көміртегінің ерігіштігі кеміп, қалыпты температурада (Q нүктесі) 0,006%-ға жетеді. Көміртегі тордың ақауларында орналасады. Олай болса, феррит – таза темір, торы көлемі бойынша центрленген куб, құрылымына келсек, ол темірдің ақшыл түйіршіктерінен тұрады, 1041^о К (768^о С) температураға дейін магниттік қасиетін сақтайды. Механикалық қасиеттері мынадай: созғандағы беріктік шегі 294 мн/м² (δ_в=30 кГ/мм²), салыстырмалы ұзару коэффициенті δ=50%, қаттылығы Н_в=7,84 мн/м² (80 кГ/мм²). Ферриттің құрамында Si, Mn элементтері болса, онда ол оны нығайта түседі. 1392⁰С-дан жоғары температурада жоғары температуралы феррит (Fе_δ) түзіледі. 1499⁰С температурада (J нүкте) көміртегінің шекті ерігіштігі 0,1 %. Ферриттің қасиеттері темірдің қасиеттерімен бірдей болады. Ол жұмсақ (қаттылығы -130НВ, аққыштық шегі – σ_в=300МПа) және иілгіш (салыстырмалы ұзаруы - ), 768^o С дейін магнитті.

Ц е м е н т и т (Fe₃C) – құрамында 6,67% көміртегі бар, күрделі торлы темірдің көміртегімен қосындысы. Ол – металдық жарқылы бар, электр, жылу өткізгіштік, қаттылық (800НВ жоғары, әйнекті оңай сырады) қасиеттері жоғары морт қорытпа, бірақ иілгіштігі төмен, тіпті нөлге тең. Осындай қасиеттерінің нәтижесінде кристалдық тор құрылымы да күрделі болады. 210^оС температурада цементиттің магниттік қасиеті жойылады, өте морт болғандықтан, оның беріктігін анықтауға болмайды. Микроскоппен қарағанда цементит тор тәрізді немесе түрлі формада орналасқан ақ пластинкалар түрінде болып келеді. Оның құрамында темірден басқа (темірдің мөлшері 97-99,5%-дың аралығында болады) көптеген элементтер орын алады. Ол элементтердің (марганец, кремний) цементит құрамында болуы және цементит құрамынан толықтай жойылмауы технологиялық ерекшеліктерге және жетіспеушіліктермен түсіндірілсе керек. Аллотропиялық өзгеріске ұшырамайды. Цементиттің кристалдық торы - октаэдр. Цементиттің балқу температурасы нақты емес (1250, 1550^o С). Төмен температурада цементит әлсіз ферромагнитті. Цементит орнын басушы қатты ерітінді түзеді. Көміртегі атомдары бейметалдардың атомдарының орынын басады: азот, оттегі; ал темір атомдары – металдардың атомдарының орынын басады: марганц, хром, вольфрам және т.б. Осындай торлы цементит түзетін қатты ерітінді легірленген цементит деп аталады. Цементит - тұрақсыз қосылыс түзеді, ыдырағанда графит түрінде көміртегі бөлініп шығады.

А у с т е н и т – көміртегінің гамма түріндегі (γ - Fе) қатты ерітіндісі. Көміртегі кубтың жағы бойынша центрленген тордың орталарында орналасады. Аустениттегі көміртегінің 1130^оС-та ерігіштігі 2% (Е нүктесі), ал 723^о-та ерігіштігі 0,83% (S нүктесі). 723^о-тан төмен температурада көміртекті темір қорытпаларында аустенит перлитке айналады. Аустениттің бринель бойынша қаттылығы 666-1,76 гн/м² (160-200 кГ/мм²), магниттік қасиеті жоқ - парамагнитті, пластикалық қасиеті жоғары (салыстырмалы ұзаруы δ=40÷50%). Аустенитті қалыпты температурада көміртекті темір қоспаларына марганец, никель сияқты легірлеуші элементтерді қосу арқылы алуға болады. Өйткені бұл элементтер γ облысын кеңейтіп, аустениттің перлитке айналу температурасын көп төмендетеді. Аустенитте басқа элементтер еріген кезде оның қасиеттері мен температуралық шегі өзгеруі мүмкін.

П е р л и т – құрамында 0,83% көміртегі бар, феррит пен цементиттің эвтректоидтық қоспасы. Микроскоппен қарағанда ол меруерт сияқты құлпырып көрінетіндіктен, бұл қоспаға перлит-меруерт деген ат қойылған. Микроқұрылымы ферритті негізге орналасқан дисперсиялы цементит пластинкалардан немесе цементит түйіршіктерінен тұрады. Бринель бойынша қаттылығы НВ=176,4 мн/м² (180 кГ/мм²), беріктік шегі σ=784 кн/м² (80 кГ/мм²) салыстырмалы ұзару коэффициенті 15%.

Л е д е б у р и т – құрамында 4,3%- ды көміртегі бар цементит пен аустениттің эвтектикалық қоспасы. Ледебурит 1130^оС-та көміртекті темір қорытпасында көміртегінің концентрациясы 4,3% - ға жеткенде түзіледі. Ледебурит микроструктурасынан цементиттің ішінде дөңгелектеніп келген перлит түйіршіктерін көруге болады. Ледебурит ақ шойындар құрылымында кездеседі, ол морт және қаттылығы жоғары – 6,86 гн/м² (700 кГ/мм²) болып келеді.

Г р а ф и т- еркін, әрі түрлі пішінде бөлінетін көміртегінің бір түрі. Көміртекті темір қорытпаларда графиттің түзілуі графиттену деп аталады. Графит гексогональды торлы, меншікті салмағы 2,2 тең, атом аралығы 1,42÷3,4А. Графит шойын мен графиттелген болаттар құрамында кездеседі.

Бұдан басқа темір-цементит қорытпасында келесідей фазалар кездеседі: біріншілік цементит (Ц_I), екіншілік цементит (Ц_II), үшіншілік цементит (Ц_III). Бұл фазалардың химиялық және физикалық қасиеттері бірдей. Қорытпаның механикалық қасиеттерінде аймашылық бар, олар өлшемдерінің және мөлшерлерінің өзгешелігінде. Сонымен қатар олардың түзілуіне да байланысты. Біріншілік цементит ірі пластиналы кристалдар түрінде сұйық фазадан бөлініп шығады. Екіншілік цементит аустениттен бөлініп шығады және а аустенит дәндерінің айналасында торша түрінде орналасады (салқындатқан кезде – перлит дәндерінің айналасында орналасады). Үшіншілік цементит ферриттен бөлінеді, ұсақ қоспа түрінде феррит дәндерінің шетінде орналасады.

Диаграмма құрамында 6,7%-ға (3.1 суретті қара) дейін көміртегі бар көміртекті темір қорытпаларының қасиеттерін сипаттайды. Құрамында 6,7%-дан 100%-ға дейін көміртегі бар көміртекті темір қорытпаларының практикада

маңызы жоқ. Диаграмманың абсцисса осіне 0%-дан 6,67%-ға дейінгі көміртегі (С) немесе 0%-дан 100%-ға дейінгі цементит, ал ордината осіне температура салынады.

Практикада Fe-C диаграммасына қарағанда Fe-Fe₃C диаграммасының маңызы зор болғандықтан, екінші диаграмманы қарастырамыз. Ол үшін мынадай шартты белгілер енгізейік: А – аустенит, Ц – цементит, Ц_І – бірінші реттік цементит, Ц_ІІ – екінші реттік цементит, Ц_ІІІ – үшінші реттік цементит, Л – ледебурит, Ф – феррит, П – перлит, δ – қатты ерітінді.

Көміртекті темір қорытпалары тез суығанда, қоспадан көміртегі химиялық қосылыс – цементит (Fe₃C) түрінде, ал баяу суығанда, графит (С) түрінде бөлінеді. Түзілген цементит тұрақсыз қосылыс, ал графит тұрақты қосылыс болып табылады. Көміртекті темір қорытпалары баяу суығанда цементиттен графит мына реакция бойынша түзіледі

Fe₃C→3Fe+C.

Диаграмманың АВСD сызығы (ликвидус) - қорытпалардың бастапқы кристалдану температураларына сәйкес нүктелердің геометриялық орны. Осы бойынша көміртекті темір қорытпалардың кристалдану процесі басталады. Ликвидус сызығынан жоғары жатқан кез келген нүкте көміртекті темір қоспалардың сұйық күйін анықтайды. 1539^оС температурада АВ сызығы бойынша (құрамында 0,10% С бар көміртегінің δ – Fe-дегі қатты ерітіндісі) кристалдар түзеді.

1492^оС температурада δ – Fe кристалдары сұйық ерітіндімен әрекеттесіп, одан перитектикалық реакция бойынша құрамында 0,15% С бар γ– Fe (аустенит) түзіледі.

Қорытпадағы көміртегінің мөлшері 0,5%-дан көп болса, ВС сызығы бойынша қорытпадан аустенит (көміртегінің γ – Fe темірдегі ең жоғары ерітіндісі 2%), ал CD сызығы бойынша бірінші реттік цементит (Ц_І) бөлінеді.

С нүктесінде 1130^оС температурада көміртегінің концентрациясы 4,3%-ға жеткенде қорытпадан аустенит, бірінші реттік цементит кристалдары бөлініп, ледебурит эвтектикалық қорытпасы түзіледі. AHJECF сызығы (солидус) – барлық көміртекті қорытпалардың кристалдану температураларының соңғы мәніне сәйкес нүктелердің геометриялық орны. Бұл сызық төменгі диаграмма нүктелеріне сәйкес қорытпалардың қатты күйін анықтайды. Солидус сызығынан төменгі аймақтарда көміртекті темір қорытпаларының бірінші реттік кристалдану процестері аяқталып, олардың екінші және үшінші реттік кристалдану процестерінің нәтижесінде мынадай құраушылар түзіледі:

1. 2%<С<4,3% эвтектикаға дейінгі шойындар, құрылымы: А+Ц_ІІ+Л(А+Ц_І).

2. С=4,3% эвтектикалық шойын, құрылымы: Л- ледебурит.

3. 4,3%<С<6,67% эвтектикадан кейінгі шойындар. Құрылымдық құрамы: Ц_І+Л(А+Ц_І).

Қорытпа құрылымының қату температурасынан кейін өзгеруін оның екінші рет кристалдануы дейді.

Кез келген концентрациялы болаттар бірінші рет кристалданғаннан кейін құрылымы аустенитті болады. Болаттың екінші рет кристалдануы GSE сызықтары бойынша жүреді. GS сызығы бойынша аустениттен феррит, ал SE сызығы бойынша екінші реттік цементит бөлінеді. GS сызығына сәйкес нүктелерді А₃ әрпімен, ал SE сызығына сәйкес нүктелерді А_ст әрпімен белгілейді. S нүктесі 996^оК (723^оС) температурадағы аустенитке сәйкес болады. S нүктесінде қорытпадағы көміртегінің концентрациясы 0,83%- ке жеткенде аустенит феррит пен екінші реттік цементитке ыдырап, эвтектоидтық қорытпа – перлит – түзіледі. Перлиттің түзілу температурасын анықтайтын температураға сәйкес нүктелердің геометриялық орны диаграммада PSK түзуі болып табылады. PSK түзуіне сәйкес температураны А₁ әрпімен белгілейді. Р нүктесі көміртегінің α – Fе-дегі максимум ерігіштігін (0,028%) анықтайды. GP, PQ сызықтары көміртегінің α – Fе-дегі ерігіштігінің температураға байланыстылығын көрсетеді GPQ сызықтарының сол жағына орналасқан барлық нүктелер ферриттің күйін анықтайды. PSK сызығынан төмен орналасқан диаграмма нүктелері мынадай болаттардың түрін анықтайды:

1. 0,08%<С<0,83% эвтектоидқа дейінгі болаттар, құрылымы: Ф+Л(Ф+Ц).

2. С=0,85% эвтектоидты болат, құрылымы: П(Ф+Ц).

3. 0,83%<С<2,0% эвтектоидтан кейінгі болаттар. Құрылымы: П+Ц_ІІ МО сызығы бойынша α – Fе-дің магниттік қасиеті 768^оС-тан кейін пайда болады. Көміртекті темір қорытпаларында магниттік өзгеріс тудыратын температураны (768^оС) Кюри нүктесі деп атайды. МО сызығына сәйкес температура А₂ әрпімен белгіленеді. Жоғарыда айтылған көміртекті темір қорытпаларының өзгерістері (магниттік өзгерістен басқа) гистерезис құбылысымен байланысты, яғни көміртекті темір қорытпаларын қыздырған кездегі кризистік температуралары олардың суыған кезіндегі кризистік температураларынан жоғары болады. Сондықтан қорытпалардың кризистік температурасын анықтайтын А әрпіне «с» (қорытпалар қыздырылса) және «r» (қорытпалар салқындатылса) индекстерін қояды (А_с және А_r).