| 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: σв=250МПа; σт = 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 – σв=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 Feα(Feδ) обумовлена малими розмірами пор в ОЦК гратці. Ферит – м’яка, пластична фаза з такими механічними властивостями: - sв=250МПа; sт=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 Feα 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 (sв = 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 Fed «Feg -перетворення, G (9110С) - поліморфного Feg«Fea -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 (ЦІ).
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: РВ + ФН ® АJ .
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:
РC ® АЕ +. ЦF. (5.1)
Евтектична суміш аустеніту і цементиту називається ледебуритом. Ледебурит містить 4,3%С, має високу твердість (> 6000 НВ) 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 (ЦІІ).
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 (ЦІІІ). 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:
АS ® ФP +. ЦK. (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: σв=800…900МПа; σ0.2= 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 (Лп).
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
