Метали і сплави

2.1.1. Система «залізо Цементо»

Компоненти системи залізо і вуглець - елементи поліморфні. Основний компонент системи - залізо.

Вуглець розчинний в залозі в рідкому і твердому станах, а також може утворити хімічну сполуку - цементит Fе3 З або бути присутнім в сплавах у вигляді графіту.

В системі залізо-цементит (Fe - Fе3 С) є наступні фази: рідкий розчин. тверді розчини - ферит і аустеніт, а також хімічна сполука - цементит.

Ферит може мати дві модифікації - високо- і низькотемпературну. Високо-температурна модифікація d -Fe і низькотемпературна - a -Fe представляють собою тверді розчини вуглецю, відповідно, в d - і a - залозі.

твердість - 80. 90 НВ.

Аустеніт g -Fe - твердий розчин вуглецю в g-заліза. Гранична розчинність вуглецю в g-заліза 2,14%. Він стійкий тільки при високих температурах, а з деяким домішками (Мn, Сr і ін.) При звичайних (навіть низьких) температурах. Аустеніт має високу пластичність, низькими межами плинності і міцності. Твердість аустеніту 160. 200 НВ.

Цементит Fе3 С - хімічна сполука заліза з вуглецем, що містить 6,67% vглерода. Між атомами заліза і вуглецю в цементиті діють металева і ковалентний зв'язки. Температура плавлення

1250 ° С. Цементит є метастабільною фазою; область його гомогенності дуже вузька і на діаграмі стану він зображується вертикаллю. Час його стійкості зменшується з підвищенням температури: при низьких температурах він існує нескінченно довго, а при температурах, що перевищують 950 ° С, за кілька годин розпадається на залізо і графіт. Цементит має точку Кюрі (210 ° С) і має порівняно високими твердістю (800 НВ і вище) і крихкістю. Міцність його i розтягнення дуже мала (s = 40 МПа).

В системі залізо - цементит є дві тонкі механічні суміші фаз - евтектична (ледебурит) і евтектоїдна (перліт).

Ледебурит є сумішшю двох фаз g -Fe + Fе3 С, що утворюються при 1130 ° С в спла-вах, що містять від 2,0 до 6,67% С, і спостерігається візуально як структурна складова залізовуглецевих сплавів, головним чином, чавунів. Ледебурит має досить високі міцністю (НВ> 600) і крихкістю.

Перліт (до 2,0% С) являє собою суміш a-Fe + Fе3 С (в легованих сталях карбід), що утворюється при 723 ° С і змісті вуглецю 0,83% в процесі розпаду аустеніту, і спостерігається візуально як структурна складова залізовуглецевих сплавів. Механічні властивості перліту залежать від форми і дисперсності частинок цементиту (міцність пластинчастого перліту трохи вище, ніж зернистого):

Діаграма стану Fe - Fе3 С (рис. 1) є комбінацією діаграм простих типів. На ній є три горизонталі трифазних рівноваг: перитектического (1496 ° С), евтектичного (1147 ° С) і евтектоїдного (727 ° С).

Всі лінії на діаграмі стану відповідають критичним точкам, тобто температур, при яких відбуваються фазові і структурні перетворення в залізовуглецевих сплавах.

Лінія ABCD - лінія початку кристалізації сплаву (ликвидус), лінія AHJECF - лінія кінця кристалізації сплаву (солидус).

В області діаграми HJCE знаходиться суміш двох фаз: рідкого розчину і аустеніту, а в області CFD - рідкого розчину і цементиту. У точці С при вмісті 4,3% С і температурі 1130 ° С відбувається одночасна кристалізація аустеніту і цементиту і образу-ється їх тонка механічна суміш - ледебурит. Ледебурит присутній у всіх сплавах, що містять від 2,0 до 6,67% С (чутуни).

Точка Е відповідає граничному насиченню заліза вуглецем (2,0% С).

В області діаграми AGSF знаходиться аустенит. При охолодженні сплавів аустеніт розпадається з виділенням по лінії GS фериту, а по лінії SE - вторинного цементиту. Лінії GS і PS мають велике практичне значення для встановлення режимів термічної обробки сталей. Лінію GS називають лінією верхніх критичних точок. а лінію PS -нижнє критичних точок.

В області діаграми GSP знаходиться суміш двох фаз - фериту і распадющегося аустеніту, а в області діаграми SEE '- суміш вторинного цементиту і розпадається аустеніту.

У точці S при вмісті 0,8% С і при температурі 723 ° С весь аустеніт розпадається і одночасно кристалізується тонка механічна суміш фериту і цементиту - перліт.

Лінія PSK відповідає остаточного розпаду аустеніту і утворення перліту. В області нижче лінії PSK ніяких змін структури не відбувається.

Структурні перетворення в сплавах, що знаходяться в твердому стані, викликані наступними причинами: зміною розчинності вуглецю в залозі в залежності від температури сплаву (QP і SE), поліморфізмом заліза (PSK) і впливом змісту рас-творіння вуглецю на температуру поліморфних перетворень (розчинення вуглецю в залозі сприяє розширенню температурної області існування аустеніту і звуження області фериту).

На діаграмі стану розрізняють дві області: стали і чавуни. Умови прийнятого розмежування - можливість утворення ледебуріта (гранична розчинність вуглецю в аустеніт):

• стали - до 2,14% С, не містять ледебуріта;

• чавуни - більше 2,14% С, містять ледебурит.

Залежно від вмісту вуглецю (%) залізовуглецевих сплави отримали наступні назви:

• менш 0,83 - доевтектоїдних стали;

• 0,83 - евтектоїдні стали;

• 0,83. 2 - заевтектоідние стали;

• 2. 4,3 - доевтектичні чавуни;

• 4,3. 6,67 - заевтектичних чавуни.