Компоненти і фази в системі железо-вуглець

Основні положення

Залізо - метал серебрістобелимі кольору. Чисте залізо, яке може бути отримано в даний час, містить 99,999% Fe, а технічні сорти 99,8-99,9% Fe.

Температура плавлення заліза 1539 ° С.

Залізо відомо в двох поліморфних модифікаціях # 945; і # 947 ;. # 945; залізо існує при температурах нижче 910 ° С і вище 1392 ° С (рис. 1). Для інтервалу температур 1392- 1539 ° С # 945; залізо нерідко позначають як # 948; залізо.

Мал. 1. Криві нагрівання та охолодження заліза

Кристалічна решітка # 945; -заліза - об'ємно-центрованої куб з періодом решітки 0,28606 нм. До температури 768 ° С # 945; залізо магнітно (феромагнітні). Критичну точку (768 ° С), відповідну магнітному перетворенню, т. Е. Переходу з феромагнітного стану в парамагнітне називають точкою Кюрі і позначають А2.

критичну точку # 945; - # 947; перетворення (рис. 1) при 910 ° С позначають відповідно Ас3 (при нагріванні) і АГ3 (при охолодженні). критичну точку # 945; - # 947; перетворення заліза при тисячі триста дев'яносто два ° С позначають Ас4 (при нагріванні) і Аг4 (при охолодженні).

Кристалічна решітка # 947; -заліза - гранецентрірованниі куб з періодом 0,3645 нм при температурі 910 ° С. Щільність заліза вище, ніж заліза, і дорівнює 8,0-8,1 г / см3. при перетворенні # 945; - # 947; відбувається стиснення. Об'ємний ефект стиснення складає приблизно 1%.

Вуглець є неметаллическим елементом. Вуглець поліморфа. У звичайних умовах він знаходиться у вигляді модифікації графіту, але може існувати і у вигляді метастабільною модифікації алмазу.

Вуглець розчинний в залозі в рідкому і твердому станах, а також може бути у вигляді хімічної сполуки - цементиту, а в високовуглецевих сплавах і у вигляді графіту.

При цьому в сплавах можуть утворюватися такі структурні складові: ферит, аустеніт, цементит, перліт, ледебурит і ін.

Ферит - твердий розчин вуглецю та інших домішок в # 945; залізо.
Це майже чисте залізо, так як розчинність вуглецю в залозі надзвичайно мала (0,006. 0,03%). Ферит стійкий до температури 911 ° С, має дуже невеликі твердість і міцність, але високу пластичність, тому добре деформується в холодному стані (штампується, прокочується, простягається). Чим більше фериту в залізовуглецевих сплавів, тим сплав пластичнее.

Аустеніт - твердий розчин вуглецю та інших домішок в # 947; залізо. Гранична розчинність вуглецю в у-залозі - 2,14%. Гранична розчинність вуглецю в залозі - 2,14%. Характерна особливість аустеніту в тому, що він може існувати в залізовуглецевих сплавах тільки при високих температурах (від 1 539 до 727 ° С). Аустеніт по пластичності порівняємо з ферритом, але по твердості перевершує його приблизно в 2 рази.

Перліт - механічна суміш фериту і цементиту, підрозділяється на пластинчастий і зернистий залежно від форми кристалів цементиту, що мають вигляд відповідно або пластинок, або округлих дрібних зерен. Таку суміш називають ев-тектоідной, так як вона хоча і подібна евтектичною, але утворилася на відміну від неї не при кристалізації, а в процесі розпаду твердого розчину.

Ледебурит - евтектична суміш аустеніту і цементиту. Температура освіти ледебуріта +1147 ° С. Він може існувати до температури 727 ° С, нижче цієї температури аустеніт розпадається на перліт і цементит.

Структурні складові сталей і чавунів

Діаграма стану залізо-вуглець (Fe-С)

На діаграмі стану залізо-вуглець (рис. 2) наведено фазовий склад і структура сплавів з концентрацією від чистого заліза до цементиту (6,67% С).

Мал. 2. Діаграма залізо-вуглець

Лінії діаграми визначають перетворення в структурі і властивостях сплавів, що відбуваються при зміні температури. Чисте залізо плавиться і твердне при постійній температурі 1539 ° С, всі інші сплави заліза з вуглецем плавляться (тверднуть) і відчувають перетворення структури в деякому інтервалі температур.

Розглядаючи ці перетворення, можна виділити два їх типу: перетворення структури сплавів при переході з рідкого стану в тверде (первинна кристалізація) і перетворення в твердому стані (вторинна кристалізація).

Кристалізація сплавів закінчується по лінії солідусу AECF.

Подальші зміни структури сплавів відбуваються при зниженні температури в твердому стані, тобто при вторинної кристалізації.

Вторинна кристалізація в сплаві залізо-вуглець пов'язана з алотропна перетворенням у-заліза в a-залізо і характеризується лініями діаграми GSEF і PSK.

Лінія GS показує початок перетворення аустеніту в ферит, тому в області GSP буде структура аустеніт + ферит. Критичні точки, що лежать на лінії GS, позначаються або Ас3 при нагріванні, або АГ3 при охолодженні.

Лінія SE показує зниження розчинності вуглецю в залозі з пониженням температури. Критичні точки на цій лінії позначають Аст. Якщо в точці Е при температурі одна тисяча сто сорок сім ° С розчинність вуглецю максимальна і досягає 2,14%, то в точці S при 727 ° С розчинність вуглецю становить всього 0,8%. Отже, у всіх сталях в інтервалі концентрацій вуглецю 0,8. 2,14% з аустеніту виділяється надлишковий вуглець, який, з'єднуючись із залізом, утворює цементит, званий вторинним, а сталь має структуру аустеніт + цементит вторинний.

Точка S є кінцем рівноважного існування аустеніту і називається евтектоїдной точкою. Вона ділить все стали на дві типові групи: лівіше точки S знаходяться доевтектоїдних стали зі структурою феррит + перліт, правіше - заевтектоідние зі структурою цементит вторинний + перліт. У точці S сталь містить 0,8% вуглецю, має структуру перліту і називається евтектоїдной.

Для всіх сплавів залізо-вуглець розпад аустеніту закінчується по лінії PSK (727 ° С). Критичні точки, що лежать на цій лінії, позначаються при нагріванні Ac1 і при охолодженні Ar1.

Отже, розглядаючи перетворення в залізовуглецевих сплавах по діаграмі стану, можна відзначити такі особливості:
• точки С і S є характерними точками структурних перетворень. Вище точки С знаходиться рідкий розчин, а вище точки S - твердий розчин (аустеніт);
• в точці С сходяться лінії ліквідусу АС і CD, що вказують відповідно на початок виділення кристалів аустеніту і первинного цементиту з рідкого розчину (процес первинної кристалізації); в цій точці утворюється евтектична механічна суміш - ледебурит;
• в точці S сходяться гілки лінії солідусу GS і ES, що вказують на початок виділення кристалів фериту і вторинного цементиту з твердого розчину (процес вторинної кристалізації) і освіту евтектоїдной механічної суміші - перліту.

Розглянемо перетворення структури стали під впливом температури. Всі описані раніше структури стали - ферритно-перлитная, перлитная і перлітною-цементітная - оборотні. Так, при нагріванні доевтектоїдних сталей до температури вище 727 ° С (лінія критичних точок) перліт перетворюється на аустеніт. При подальшому нагріванні феррит розчиняється в аустеніт і закінчується процес перетворення по лінії GS (критичні точки). У евтектоїдной стали (0,8% С) перліт перетворюється на аустеніт в точці S. При нагріванні заевтектоідной стали перліт перетворюється на аустеніт при температурі 727 ° С (лінія критичних точок), і при подальшому нагріванні відбувається розчинення цементиту (вторинного) в аустените, яке закінчується по лінії SE (критичні точки).

На структуру стали і її властивості впливає не тільки гаряча, але і режим охолодження, від якого залежить характер структури, що утворюється в результаті перетворення аустеніту. При повільному безперервному охолодженні аустеніт перетворюється в рівноважні, т. Е. Стійкі при нормальних температурах і нагріванні до температур нижче критичних, структури - перліт, ферит і цементит. При швидкому охолодженні матиме місце переохолодження аустеніту і утворюються нові нерівноважні дрібнозернисті ферритно-цементітние структури - сорбіт, троостит і Бейн, які розрізняються між собою механічними властивостями і перш за все твердістю внаслідок наявності в структурі різних за розмірами і формою пластинок фериту і цементиту. Твердість цих структур зростає в міру зниження температури їх утворення.

Сорбіт є більш дрібну, ніж перліт, механічну суміш фериту з цементитом і має твердість НВ 2500. 3000 МПа, а також більш високі міцність і пружність при достатній в'язкості.

У троостита суміш фериту з цементитом дрібніше, ніж у сорбіту, і його твердість дорівнює 3500. 4000 МПа. Троостит в порівнянні з сорбітом володіє і більш високими пружними властивостями, але меншою в'язкістю.

Основні перетворення в залізовуглецевих сплавах при повільному нагріванні і охолодженні

Лінія на діаграмі

Температура перетворення, ° С