Характерні точки діаграми стану залізо-вуглець

Метастабільна рівновага	Стабільна рівновага
Точка	t, 0С	С, %	Точка	t, 0С	С, %
A		0,00	А		0,00
B		0,50	B		0,50
C		4,30	C'		4,26
D	~1260	6,67	N		0,00
N		0,00	H		0,10
H		0,10	J		0,16
J		0,16	E'		2,11
E		2,14	G		0,00
F		6,67	S'		0,70
G		0,00	P'		0,02
P		0,02	Q		0,006
S		0,80
K		6,67
Q		0,006

Основними компонентами залізовуглецевих сплавів є залізо і вуглець.

Залізо – це сріблясто-сірий метал з атомним номером 26, атомним радіусом 0,127нм, атомною масою 55,85, густиною 7860 кг/м³ та температурою плавлення 1539±5⁰С. Залізо - поліморфний метал. В інтервалі температур 1539…1392⁰С існує δ–залізо з ОЦК-граткою і періодом 0,293 нм, в інтервалі температур 1392…911⁰С – γ–залізо з ГЦК-граткою і періодом 0,364 нм, а при температурах, нижчих за 911⁰С – α–залізо з ОЦК-граткою з періодом 0,286 нм. При температурі 768⁰С (точка Кюрі) залізо зазнає магнітне перетворення - нижче цієї температури залізо феромагнітно, а вище – парамагнітно.Технічно чисте залізо має такі механічні властивості: σ_в=250МПа; σ_т = 120 МПа; 800НВ; δ = 50% і ψ = 85%.

Вуглець – це неметалевий елемент з атомним номером 6, атомним радіусом 0,077нм, атомною масою 12,011 густиною 2500кг/м³ та температурою плавлення 3500⁰С. Вуглець існує в двох модифікаціях: графіту і алмазу. У звичайних умовах він знаходиться у вигляді графіту, але може існувати і у вигляді метастабільного алмазу. Графіт має гексагональну шарувату гратку, де відстань між шарами становить 0,34 нм, а між атомами у шарі – 0,14 нм. Завдяки шаруватості міцність графіту невелика – σ_в=20 МПа (при 20⁰С). Алмаз має складну кубічну гратку з періодом 0,1545 нм, у якому діють надзвичайно сильні ковалентні міжатомні зв’язки, що обумовлює високу твердість алмазу.

Вуглець розчиняється у залізі в рідкому та твердому станах, а також утворює з залізом хімічну сполуку Fe₃С (цементит), а у високовуглецевих сплавах може існувати і у вигляді графіту.

Основними фазами, які утворюються в залізовуглецевих сплавах, є необмежений рідкий розчин вуглецю в залізі (Р), ферит (Ф), аустеніт (А), цементит (Ц) і графіт (Г).

Ферит – це твердий розчин проникнення вуглецю в α- або d–залізі. Максимальна розчинність вуглецю в d–залізі становить 0,1% при 1499⁰С (т.Н), в α–залізі – 0,02% при 727⁰С (т.Р), а при кімнатній температурі вона зменшується до 0,006%. Така низька розчинність вуглецю в Fe_α(Fe_δ) обумовлена малими розмірами пор в ОЦК гратці. Ферит – м’яка , пластична фаза з такими механічними властивостями: - s_в=250МПа; s_т=120МПа; δ=50% і Ψ=80%; КСU=2,5 МДж/м²; 800…900НВ. Області існування на діаграмі Fe-Fe₃C: чистого δ–фериту – АНN, α–фериту – GPQ.

Аустеніт – це твердий розчин проникнення вуглецю в γ – залізі. Максимальна розчинність вуглецю в γ – залізі значно вище, ніж у Fe_α і становить 2,14% при 1147⁰С, що пов’язано з більшими розмірами пор в ГЦК гратці. При зниженні температури розчинність вуглецю в γ–залізі зменшується і при температурі 727⁰С становить 0,8%. Аустеніт більш тверда (1700…2000НВ) і міцна (s_в = 500…800МПа), ніж ферит, але дуже пластична фаза. Область існування чистого аустеніту на діаграмі Fe-Fe₃C - NJESG.

Цементит – це хімічна сполука заліза з вуглецем, карбід заліза Fe₃C. Температура плавлення приблизно 1260⁰С. Труднощі з визначенням цієї температури пов’язані з нестійкістю цементиту при нагріванні, тобто його розпадом з утворенням аустеніту і графіту. Цементит при температурах нижче 210⁰С має слабкі феромагнітні властивості, а при цій температурі (при нагріванні) втрачає феромагнетизм. Цементит має складну орторомбічну гратку, в елементарній комірці якої розміщені 12 атомів заліза і 4 атоми вуглецю. Цементит має високу твердість (~8000НВ) і крихкість. На діаграмі стану Fe-Fe₃C цементиту відповідає вертикальна лінія DFKL.

Графіт – це вуглець, який виділяється у високовуглецевих сплавах у вільному стані при повільному охолодженні (за стабільною діаграмою стану “залізо – графіт”).

5.2. Процеси, які відбуваються при температурах,

які відповідають лініям діаграми стану “залізо – цементит”

На діаграмі Fe-Fe₃C точка А (рис.5.1.) відповідає температурі плавлення чистого заліза (1539⁰С), точка N (1392⁰С) - температурі поліморфного Fe_d «Fe_g-перетворення, G (911⁰С) - поліморфного Fe_g« Fe_a-перетворення, D (1260⁰С) - температурі плавлення цементиту. Точки Н і Р характеризують граничну концентрацію вуглецю відповідно у високо - та низькотемпературному фериті, а точка Е - в аустеніті.

Перетворення в залізовуглецевих сплавах відбуваються як при твердінні рідкої фази (первинна кристалізація), так і в твердому стані (вторинна кристалізація). Первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур між лініями ліквідус (АВСD) і солідус (АНJECF). Вторинна кристалізація пов'язана з поліморфним перетворенням заліза і змінною розчинністю вуглецю в g- та a-залізі.

Лінії діаграми стану залізо-цементит мають такі позначення та фізичний зміст.

Лінія АВСD - лінія ліквідус - визначає температуру, при якій починається процес первинної кристалізації із рідкого сплаву, при цьому лінія АВ показує температуру початку кристалізації d-фериту, ВС - аустеніту, СD - цементиту первинного (Ц_І).

Лінія АНJECF - лінія солідус - визначає температуру, при якій закінчується процес первинної кристалізації, при цьому лінія АН показує температуру кінця кристалізації d-фериту, JE - аустеніту. Лінія НJВ - це лінія перитектичного перетворення, суть якого полягає в тому, що d-ферит, який утворився до цієї температури, реагує з рідким сплавом, що залишився, утворюючи при цьому аустеніт: Р_В + Ф_Н ® А_J.

Якщо сплав містить 0,16%С, то рідка фаза і d-ферит повністю витрачаються і після закінчення перитектичного перетворення залишається тільки аустеніт, а якщо сплав містить понад 0,1 і до 0,16 чи понад 0,16 і до 0,5%С, то в надлишку залишається відповідно d-ферит чи рідка фаза, тобто фазовий склад при завершенні перитектичного перетворення сплавів, що містять від 0,1 до 0,16%С, - d-ферит + аустеніт, а сплавів з вмістом вуглецю від 0,16 до 0,5% - аустеніт + рідка фаза.

Лінія ЕСF - це лінія евтектичного перетворення, суть якого полягає в тому, що рідка фаза, що містить 4,3%С, кристалізується з утворенням механічної суміші кристалів аустеніту, що містить 2,14%С, і цементиту:

Р_C ® А_Е +_. Ц_F. (5.1)

Евтектична суміш аустеніту і цементиту називається ледебуритом. Ледебурит містить 4,3%С, має високу твердість (> 6000НВ) і крихкість. Тому присутність ледебуриту в структурі сплавів, що містять 2,14…6,67%С, обумовлює їх нездатність до обробки тиском і утруднює обробку різанням.

Лінія NH - це лінія, яка відповідає температурі початку поліморфного (d-Ф ® А) - перетворення, а лінія NJ - кінця цього процесу.

Лінія GS - це лінія, яка відповідає температурі початку поліморфного (А ® a-Ф) - перетворення, а лінія GР - кінця цього процесу.

Лінія ЕS - це лінія максимальної розчинності вуглецю в g-залізі в залежності від температури, лінія, що відповідає температурі початку виділення надлишкового вуглецю з аустеніту внаслідок зменшення його розчинності в g-залізі при зниженні температури від 2,14% при 1147⁰С до 0,8% при 727⁰С, у вигляді цементиту, який називають вторинним (Ц_ІІ).

Лінія РQ - це лінія максимальної розчинності вуглецю в a-залізі, лінія, яка відповідає температурі початку виділення надлишкового вуглецю з a-фериту у вигляді третинного цементиту (Ц_ІІІ). Надлишок вуглецю в a-фериті з¢являється при охолодженні внаслідок зменшення розчинності вуглецю в a-залізі при зниженні температури з 0,02% при 727⁰С до 0,006% при 20⁰С.

Лінія PSK - це лінія евтектоїдного перетворення, суть якого полягає у перетворенні аустеніту, що містить 0,8%С, на суміш двох інших твердих фаз: a-фериту з вмістом 0,02%С і цементиту:

А_S ® Ф_P +_. Ц_K. (5.2)

Ця евтектоїдна суміш фериту і цементиту отримала назву перліт. Назва структури пов'язана з тим, що під мікроскопом на травленому мікрошліфі вона має перламутровий перелив. Перліт містить 0,8%С, найчастіше має пластинчасту будову і є відносно міцною структурною складовою: σ_в=800…900МПа; σ_0.2= 450МПа; δ£ 16%; ~ 2000НВ.

Евтектоїдне перетворення відбувається також і з аустенітом ледебуриту. Тому ледебурит при температурах нижче 727⁰С складається з перліту і цементиту і іноді такий ледебурит називають перетвореним (Л_п).

Виходячи з процесів, що відбуваються при температурах, що відповідають лініям діаграми стану залізо-цементит, усі залізовуглецеві сплави можна поділити на дві групи:

1) сплави, що містять до 2,14%С і які в результаті первинної кристалізації отримують пластичну аустенітну структуру;

2) сплави, що містять понад 2,14%С і які після первинної кристалізації отримують тверду і крихку ледебуритну структуру з надлишковими аустенітом чи цементитом або без них.

Ця різниця у структурі після первинної кристалізації обумовлює суттєву відмінність у технологічних і механічних властивостях цих двох груп сплавів. Перша група сплавів має достатньо високу пластичність, що дає змогу виготовляти деталі з них пластичним деформуванням. У другій групі сплавів наявність у структурі евтектики (ледебуриту) робить їх нековкими, але вони мають низьку температуру плавлення і їх використовують як ливарний матеріал.

Залізовуглецеві сплави, що містять до 2,14%С, називають сталями, а понад 2,14%С - чавунами.

Вуглецеві сталі

Основною продукцією чорної металургії є сталь, при цьому приблизно 90% виготовляється вуглецевої сталі і 10% - легованої. Таким чином, основним металевим матеріалом промисловості є вуглецева сталь.

Вуглецева сталь - це сплав заліза з вуглецем та іншими постійними домішками, який містить до 2,14%С, тобто до складу сталі входять, крім заліза, вуглець і постійні домішки.

Вуглець - обов'язковий компонент сталей, який сильно впливає на властивості сталі. Зі збільшенням вмісту вуглецю змінюється структура сталі: при вмісті 0,8%С вона складається тільки з перліту; менше 0,8%С - з фериту і перліту; понад 0,8%С - з перліту і цементиту вторинного. Відповідно зі зміною структури змінюються властивості сталі. Збільшення вмісту вуглецю в сталі призводить до підвищення її міцності, твердості та зниження пластичності і в'язкості (рис.5.2). Такий вплив вуглецю на властивості сталі пояснюється гальмуванням цементитними включеннями руху дислокацій у фериті, а при збільшенні вмісту вуглецю в сталі збільшується кількість цементиту і, відповідно, підвищується його гальмівна роль. Однак границя міцності зростає до вмісту вуглецю 0,8…0,9%, а далі починає знижуватися. Це зниження міцності заевтектоїдних сталей є наслідком утворення цементитного прошарку навколо зерен перліту і підвищення крихкості сталі.

Ударна в'язкість сталі сильно залежить від кількості в ній фериту. При підвищенні вмісту вуглецю до 0,6% кількість фериту різко зменшується, що призводить до падіння ударної в'язкості нижче допустимого рівня для конструкційної сталі (0,3…0,4 МДж/м²). Саме тому умовна межа між конструкційними та інструментальними сталями за вмістом вуглецю становить 0,65%.

Вуглець впливає також на фізичні властивості сталі: зі збільшенням вмісту вуглецю в сталі знижуються її густина, теплопровідність, залишкова індукція, магнітна проникність, росте електричний опір і коерцитивна сила.

Рис.5.2. Вплив вуглецю на механічні властивості сталі