Діаграма стану залізо - вуглець

Компоненти і фази системи залізо – вуглець

Діаграма стану залізовуглецевих сплавів

Компонентами залізовуглецевих сплавів є два хімічні еле­менти — залізо та вуглець.

Залізо — сріблясто-білий метал з температурою плавлення 1539 °С і густиною 7,87-10³ кг/м³. Йому властива добра пластич­ність, невисока міцність і низька твердість.

Вуглець може перебувати в сплавах у цементиті Fе₃С, у твер­дих розчинах проникнення, а також у вигляді графіту.

До фаз системи залізо-вуглець належать: рідкий розчин Р, ферит Ф, аустеніт А і цементит Ц.

Рідкий розчин Р — однорідна рідина, що складається із заліза та вуглецю. Рідкий розчин існує як окрема фаза над лінією ліквідує, а між лініями ліквідус та солідус він перебуває у рівновазі з кристалічною фазою (феритом, аустенітом або це­ментитом).

Ферит Ф — твердий розчин проникнення вуглецю в α-залі­зі. Максимальна розчинність вуглецю у фериті становить 0,02 %. Така незначна розчин­ність пояснюється малими розмірами порожнин в об'ємноцентрованому кубі заліза проти розмірів атома вуглецю.

Аустеніт А — твердий розчин проникнення вуглецю в γ-залізі з максимальною розчинністю 2,14 % С. Атом вуглецю може перебувати в центрі ГЦК. Аустеніт не магнітний, досить пластичний і має твердість за Брінеллем в межах 170 ... 220.

Цементит Ц — хімічна сполука заліза з вуглецем Fе₃С,
яка відповідає концентрації вуглецю 6,67 %. Твердість цементиту дуже висока (800 НВ), його температура плавлення становить 1260 °С.

Перліт П – механічна суміш (евтектоїд) ферриту та цементиту, яка утворюється при евтектоїдному розпаді аустеніту (0,8% С).

Ледебурит Л (4,3% С) – механічна суміш (евтектика) аустеніту або перліту та цементиту. Нижче 727 ^оС аустеніт перетворюється у перліт, при цьому утворюється суміш перліту та цементиту.

Діаграма стану залізо-вуглець охоплює залізовуглецеві сплави, які містять від 0 до 6,67 % С. Сплави з концентрацією вуглецю, що перевищує 6,67 %, практично не використову­ються через їхні незадовільні механічні властивості.

Діаграму залізо — вуглець характеризує структурні перетворення, які відбуваються в залізовуглецевих сплавах при їх охолодженні. По лінії ліквідус АСD маємо початок, а на лінії солідус АЕСF — кінець кристалізації. Тут на ділянці АС лінії лік­відує рідкий розчин переходить в аустеніт, а на ділянці СD — у цементит первинний Ц₁. Криста­лізація аустеніту закінчується на ділянці АE лінії солідус.

При температурі 1147 °С (лінія ЕСF) з рідкого розчину Р кон­центрації складу точки С (4,3 % С) утворюється дрібна механічна суміш – ледебурит.

Отже, на лінії солідус закінчується первинна кристалізація і нижче від цієї лінії починається вторинна кристалізація. Вторинна кристалізація зумовлена поліморфізмом заліза та температурною зміною розчинності вуглецю в аустеніті. На лінії GS аустеніт перетворюється у ферит.

Розчинність вуглецю в аустеніті і фериті залежить від тем­ператури. Зі зниженням температури від 1147 °С (точка Е) до 727 °С (точка S) максимальна розчинність вуглецю в аустеніті зменшується від 2,14 до 0,8 %. Вуглець виділяється із γ-заліза з утворенням вторинного цементиту Ц_ІІ. Таке перетворення називають евтектоїдним (розпад твердого розчину). В результаті цього розпаду утворюєть­ся дуже дрібна двофазова феритно-цементитна структура фери­ту і цементиту, яка називається перлітом П. Це перетворення завершується по лінії PSK.

Доевтектоїдні сталі містять до 0,8 % вуглецю і мають феритно-перлітну структуру у вигляді світлих зерен фе­риту і темних зерен перліту.

Евтектоїдна сталь містить 0,8 % вуглецю, її структура - зерна перліту, що складаються здебільшого із пластинок цементиту та фериту. Пластинки цементиту порівняно тонші й світ­ліші.

Заевтектоїдні сталі містять від 0,8 до 2,14 % вуглецю. В структурі цих сталей є зерна перліту темного кольору і тонка світла мережа вторинного цементиту по границях зерен перліту.

Залізовуглецеві сплави з концентрацією вуглецю від 2,14 до 6,67 % називають чавунами. Якщо весь вуглець у чавунах пе­ребуває у вигляді хімічної сполуки Fe₃C, то такі чавуни назива­ють білими. В структурі білих чавунів наявний ледебурит, що утворився на лінії ECF під час евтектичної реакції. Чавуни, розташовані зліва від точки С, по закінченні первинної кристалізації мають структуру первинного аустеніту та ледебу­риту, а відповідно чавуни справа від точки С — структуру первинного цементиту і ледебуриту. Під час охолодження в інтер­валі температур від 1147 °С (лінія ЕСF) до 727 °С (лінія PSK) гранична розчинність вуглецю в аустеніті зменшується від 2,14 % до 0,8 % з утворенням вторинного цементиту.

За структурою білі чавуни поділяються на:

– евтектичні (4,3 % С) з структурою - ледебурит;

– доевтектичні (2,14...4,3 % С), структура : перліт + вто­рин- ний цементит + ледебурит;

– заевтектичні (4,3…6,67 % С), структура: первинний це­ментит + ледебурит.

Тема 2.2. Виробництво чавуну і сталі.