Матеріалознавство

Залізо з вуглецем утворює ряд хімічних сполук. З них практичне значення має карбід Fе3С, який містить 6,67 % С. Цей карбід називають цементит (Ц). Цементит досить твердий (~ 800 НВ), але крихкий, міцність на розтяг σт.о. ~ 40 МПа. Температура плавлення близько 1250 °С, при нормальній температурі цементит існує довго, а при t ≥ 950°С розпадається на залізо і графіт. Цементит є метастабільною фазою і на діаграмі стану зображується вертикальною лінією.

Отже, фазами в залізовуглецевих сплавах можуть бути ферит, аустеніт, цементит і графіт.

Діаграма стану системи сплавів Fе – Fе3С побудована в межах концентрації вуглецю від 0 до 6,67 %, тобто до утворення першої хімічної сполуки карбіду заліза Fе3С. Обмеження діаграми стану залізовуглецевих сплавів таким складом зумовлюється тим, що практично сплави цієї системи містять вуг-

 

лецю менш як 5 %. Отже, компонентами залізовуглецевих сплавів можна вважати залізо (ферит) і цементит. Тому цю частину діаграми стану таких сплавів називають ще діаграмою залізо цементит (Fе Fе3С) (рис.13).

Сплави заліза з масовою часткою вуглецю до 4,3 % починають тверд-

нути на відрізку АС лінії ліквідус, виділяючи кристали твердого розчину аустеніту, а з масовою часткою вуглецю понад 4,3 % на відрізку СD лінії ліквідус,  виділяючи  кристали  цементиту.  Остаточно  сплави  тверднуть  на лінії солідус АЕСF.

 

Рисунок 13. – Діаграма стану сплавів залізо – цементит (Fe – F3C)

Одразу після твердіння сплави, що лежать ліворуч від точки Е (2,14% С), є однорідними і складаються з зерен аустеніту, а ті, що містяться праворуч від точки Е, становлять механічну суміш із зерен аустеніту і цементиту. При цьому в сплаві з концентрацією 4,3 % вуглецю (точка С) утворюється однорідна евтектична суміш, яку називають ледебурит (Л).

Отже, точка Е поділяє діаграму стану залізовуглецевих сплавів на дві частини. Сплави ліворуч від цієї точки тверднуть відповідно до лінії AЕ і після затвердіння мають однорідну структуру, що складається з зерен аустеніту. Ці сплави називають сталями. Внаслідок однорідності структури сталі мають високу пластичність, яка дає змогу обробляти їх тиском (куванням, прокатуванням).

У сплавах, що містяться праворуч від точки Е, кристалізація закінчуєть-

ся при сталій температурі 1147 °С (лінія ЕСF) з утворенням евтектики ледебуриту. Ці сплави називають чавунами. Наявність крихкої та більш легкоплавкої евтектики не дає змоги обробляти чавуни тиском, проте поліпшує їхні ливарні властивості.

 

Остаточна структура сталей і чавунів, що її спостерігають при нормальній температурі, зумовлюється рядом перетворень у твердому стані, які відбуваються при температурах, що відповідають лініям СS, SЕ і РSК діаграми стану залізовуглецевих сплавів.

 

11.3. Структура сталей.

Починати розгляд перетворень у сталях у твердому стані зручніше із сталі, яка зазнає одного перетворення в точці S при температурі 727 °С. При охолодженні до точки S ця сталь складається з зерен аустеніту. В точці S відбувається поліморфне перетворення Fеγ → Fеα. Оскільки розчинність вуглецю в α-залізі дуже обмежена, то при перетворенні він виділяється у зв'язаному стані у вигляді цементит у. В результаті в сталі замість аустеніту утворюється дрібнодисперсна ферито-цементитна суміш пластинчастої будови, яку називають перлітом ( П )  ( р и с . 1 4  б ) . При подальшому охолодженні до кімнатної температури структура перліту не змінюється. На відміну від евтектики, утворюваної при твердінні рідини, суміш, що утворюється при розпаданні твердого розчину, називають евтектоїдом. Евтектоїд у залізовуглецевих сплавах утворюється при сталій температурі 727 °С (Аr1) незалежно від масових співвідношень компонентів. Тому лінію РSК називають лінією евтектоїдного перетворення, сталь із структурою евтектоїда (перлітом) евтектоїдною, або перлітною, а точку S

евтектоїдною точкою. Відповідно до цього сталі, що лежать ліворуч від точки S називають доевтектоїдними, а праворуч заевтектоїдними.

 

 

 

 

 

 

 

абвг

Рисунок 14. – Схеми мікроструктур сталей: а – ферит, б – евтектоїдна, в – доевтектоїдна, г – заевтектоїдна.

 

У  доевтектоїдних  сталях  при  температурах,  що відповідають  лінії GS (геометричному місцю точок (Ar3), починається перекристалізація і утворюється ферит. Тому при подальшому охолодженні концентрація вуглецю в аустеніті підвищується і в точці Аr1 (лінія РSК) досягає евтектоїдної, тобто 0,8 %. У цих умовах аустеніт розпадається з утворенням перліту. Ферит при цьому не зазнає перетворень (рис. 14, а). Очевидно, що з підвищенням вмісту вуглецю кількість перліту в доевтектоїдних сталях збільшуватиметься, а фериту зменшуватиметься. При масовій частці 0,8

% С в структурі сталі буде один перліт (рис. 14, б).

 

Перетворення аустеніту в заевтектоїдних сталях починається на лінії SЕ граничної розчинності вуглецю (місці критичних точок Аcm). При цій температурі з аустеніту починає виділятись надлишковий вуглець у вигляді збагаченої ним фази цементит у.  При подальшому охолодженні кількість цементиту, що виділилася, збільшується, тому концентрація вуглецю в аустеніті зменшується і в точці Аr1 (лінія РSК) досягає евтектоїдної. Залишок