Діаграма стану системи залізо-вуглець

При вивченні структури чавуну і сталі будують діаграми стану – графічні зображення, що дають наочне уявлення про кристалізації і перетвореннях, що відбуваються при їх нагріванні і охолодженні.

Процес кристалізації залежить від того, які фази утворюються з рідкого розчину сплаву.

Фазою називають однорідну частину системи, відділену від інших частин поверхнею розділу. Фази поділяються на тверді, рідкі та газоподібні. Фазами можуть бути чисті елементи, хімічні сполуки, тверді і рідкі розчини і пари. Природа утворюються фаз визначає вид діаграми стану. Процес кристалізації підпорядковується правилу фаз, яке показує, чи відбувається процес кристалізації при постійній температурі або в інтервалі температур і яка кількість фаз може одночасно існувати.

Елементи, що входять в сплав, називаються компонентами. Залежно від кількості складових сплави можуть бути дво-, три-, чотири- і більше компонентними. Крім основних компонентів, технічні сплави можуть містити в невеликій кількості і інші елементи, звані домішками. Постійними домішками є сірка і фосфор.

Компоненти в рідкому стані мають необмежену розчинність. У твердому сплаві вони утворюють механічну суміш кристалів вихідних матеріалів або знаходяться в хімічній сполуці один з одним або в вигляді так званого твердого розчину.

Системою називають групу речовин, виділену з інших навколишніх речовин для дослідження в певних умов температури, тиску та інших факторів. Наприклад, сплав певного складу, в якому хочуть простежити перетворення, що відбуваються при нагріванні або охолодженні, являє собою систему.

Діаграма станів будується за критичними точками, що визначаються різними методами. Одним з найважливіших методів є термічний.

Діаграма стану системи залізо – вуглець має велике практичне значення і є основою для вивчення процесів термічної обробки чавуну і сталі. По ній визначають види термічної обробки, температурні інтервали перетворень і т. Д.

Крім того, діаграма може бути використана для передбачення мікроструктури при будь-якій заданій температурі.

Діаграма стану залізо – вуглець

Діаграму створювали протягом багатьох років вчені різних країн. Особливо великий внесок у побудову діаграми вніс російський металург Д. К. Чернов, якому належить пріоритет відкриття перетворень в сталях і критичних точок.

По горизонтальній осі діаграми відкладається вміст вуглецю в сплаві в процентах, по вертикальній – температура в ° С. Кожна точка на діаграмі характеризує певний склад сплаву при певній температурі. Перетворення в сплавах залізо – вуглець відбуваються не тільки при затвердінні сплаву в рідкому стані, але і в твердому завдяки переходу заліза з однієї аллотропическими форми в іншу.

Залежно від температури і змісту вуглецю сплави залізо – вуглець можуть мати структурні складові: ферит, цементит, перліт, аустеніт, ледебурит і графіт. Фізико-хімічна природа цих структурних складових різна.

Ферит є твердий розчин вуглецю в α-залізі. При 723 ° С в α-залізі може міститися до 0,02% вуглецю, а при 20 ° С всього лише 0,006% вуглецю. Ферит має високу пластичність, низькою твердістю (НВ 80-100), міцністю (σь = 25 кгс / мм2) і магнітними властивостями, які зберігаються до температури 768 ° С.

Цементит – хімічна сполука заліза з вуглецем, т. Е. Карбід заліза Fe3C. Цементит містить 6,63% вуглецю і до 210 ° С зберігає магнітні властивості. Цементит дуже крихкий і має твердість НВ 760-800. У структурі стали і чавуну він знаходиться у вигляді голок, окремих включень і сітки, по межах зерен.

Перлітом називають механічну суміш фериту з цементитом. Перліт- це продукт розпаду аустеніту при повільному охолодженні. Він може бути пластинчастим або зернистим. У ньому міститься 0,8% вуглецю. Механічні властивості перліту залежать від ступеня подрібнення частинок цементиту.

Ледебурит є евтектики, що складається з цементиту і аустеніту і утворюється при кристалізації рідкого металу, який містить 4,3% вуглецю. Ледебурит має високу твердість (НВ до 700) і крихкістю.

Чисте залізо плавиться і твердне при тисячу п’ятсот тридцять дев’ять ° С (точка А), а чавун, що містить 4,3% вуглецю, – при 1130 ° С (точка С).

Графіт – це кристалічний різновид вуглецю. Він має чорний колір і зустрічається в структурі чавуну і графітізірованной стали.

Коли температура сплаву відповідає лінії АС, починається процес кристалізації: з рідкого сплаву виділяються кристали аустеніту, а на лінії CD – цементит. Так як цементит виділяється з рідкого металу в процесі первинної кристалізації, то його називають первинним. Лінія АЕСF є лінією солідусу. У точці С сплав, який містить 4,3% вуглецю, переходить в тверде кристалічний стан. Сплав такого складу називають евтектичними. Структура евтектичного сплаву являє собою ледебурит. Таким чином, чавун, що містить 4,3% вуглецю, називають евтектичним, менше 4,3% вуглецю – дозвтектіческім і більше 4,3% вуглецю – заевтектичних.

У зоні III діаграми сплав складається з цементиту і рідкого сплаву, а в зоні II – з кристалів аустеніту і рідкого сплаву. Зміст вуглецю в кристалах аустеніту визначається лінією AIE

При температурах, відповідних лінії АВ, з рідкого сплаву виділяється твердий розчин δ. На горизонталі HIB при 1 486 ° С відбувається перитектичне перетворення. Що залишився рідкий сплав взаємодіє з твердим розчином δ і в точці / переходить в аустеніт, лівіше точки / – в структуру аустеніт – твердий розчин δ, правіше точки / – в аустеніт і рідкий сплав. Затвердіння сплавів, що містять до 2% вуглецю, закінчується на лінії AHIE. Нижче лінії HIE, в зоні IV, сплави являють собою аустенит.

У нижній частині діаграми перетворення відбуваються в твердому стані. Лінія GS (лінія А3) являє собою температури початку виділення фериту з аустеніту. Вона показує, що температура освіти фериту знижується з 910 ° С (точка G) для чистого заліза до 723 ° С (точка S) для сплаву, що містить 0,8% вуглецю. Ферит, який виділяється з аустеніту при охолодженні, містить не більше 0,02% вуглецю. При зниженні температури до 723 ° С (лінія PS) в зоні VIII сплав складається з фериту і аустеніту. У точці S аустеніт переходить в перліт. В результаті перетворень сплави, що містять менше 0,8% вуглецю, мають структуру фериту і перліту (зона IX). При 0,8% вуглецю в структурі залишається тільки перліт, званий евтектоіда. Сталь, що містить 0,8% вуглецю, називають евтектоїдной, менш 0,8 вуглецю – доевтектоїдної, більше 0,8% вуглецю – заевтектоідной.

У зоні V знаходяться в рівновазі дві структурні складові – цементит і аустеніт. Лінія SE визначає межу розчинності вуглецю в аустеніт. При 1130 ° С (точка Е) в аустените розчиняється 2% вуглецю. У зоні X структура сплаву складається з перліту і вторинного цементиту.

У зоні VI сплав складається з ледебуріта, аустеніту і вторинного цементиту, в зоні VII – з первинного цементиту і ледебуриту, в зоні XI – з перліту, вторинного цементиту і ледебуриту і, нарешті, в зоні XII – з ледебуріта і первинного цементиту.

Описані зміни структури сплавів при охолодженні оборотні.

Температури, при яких починається або закінчується процес фазових перетворень в металі або сплаві, називають критичними точками. Розглянемо «сталевий» ділянку діаграми стану залізо – вуглець:

Сталевий ділянку діаграми залізо – вуглець

Візьмемо для прикладу три сплаву: доевтектоїдної (/), евтектоїдний (//) і заевтек-тоідний (///). При повільному нагріванні від кімнатної температури до 723 ° С (точка а) в сплаві / фазових змін не відбувається. При температурі 723 ° С перліт перетворюється на аустеніт. Таку температуру називають нижньої критичною точкою і позначають AC1. Буква С вказує на те, що температура зупинки виходить при нагріванні стали, а одиниця підтверджує освіту критичної точки на лінії PSK. Охолодження стали відзначають буквою r (Аr1). При подальшому нагріванні в сплаві / зерна фериту розчиняються в аустените. Розчинення закінчується в точці а1, що лежить на лінії GS. Температуру закінчення розчинення фериту в аустеніт називають верхньою критичною точкою і позначають при нагріванні сплаву-АС3, при охолодженні – АГ3.

Якщо нагрівати евтектоїдний сплав II ,. то перліт в точці S (лінія PSK) при 723 ° С перетворюється в аустеніт. Критичні точки AC1 і Ас3, при цьому сполучаться.

При нагріванні сплаву III в точці b при 723 ° С перліт перетворюється на аустеніт (точка AC1). Подальший нагрів викликає розчинення цементиту в аустеніт і в точці b1 лежить на лінії SE, процес закінчується. Цю точку називають критичною і позначають Аст.

Таким чином, на діаграмі залізо – вуглець критичні точки, що утворюють лінію PSK, позначаються Ас (при нагріванні) і Аr1 (при охолодженні), лінія GSK – АСЗ, лінія SE – Аст і АRТ. Знання критичних точок значно полегшує термістові подальше вивчення процесів термічної обробки сталей.

Розглядаючи діаграму станів залізо – цементит в зв’язку з відбуваються перетвореннями в сплаві, можна бачити, як на ній розподілені фази і в якому структурному поєднанні.

...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Ентропія в фізиці