Головна |
Основними компонентами, від яких залежить структура і властивості залізовуглецевих сплавів, є залізо і вуглець. Чисте залізо - метал сріблясто-білого кольору; температура плавлення 1539 ° С. Залізо має дві поліморфні модифікації: ? і ?. Модифікація ? існує при температурах нижче 911 ° С і вище 1392 ° С; ?-залізо - при 911-1392 ° С.
Залежно від температури і концентрації вуглецю залізовуглецевих сплави мають наступні структурні складові.
1. ферит (Ф) - твердий розчин впровадження вуглецю в ?-залізі. Розчинність вуглецю в ?-залізі при кімнатній температурі до 0,005%; найбільша розчинність - 0,02% при 727 ° С. Ферит має незначну твердість (НВ 80-100) і міцність (?в = 250 МПа), але високу пластичність (? = 50%; ? = 80%).
2. аустеніт (А) - твердий розчин впровадження вуглецю в ?-залозі. У залізовуглецевих сплавах він може існувати тільки при високих температурах. Гранична розчинність вуглецю в ?-залозі 2,14% при температурі 1147 ° С і 0,8% - при 727 ° С. Ця температура є нижньою межею стійкого існування аустеніту в залізовуглецевих сплавах. Аустеніт має твердостьНВ 160-200 і дуже пластичний (? = 40-50%).
3. цементит (Ц) - хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза Fe3C). У цементиті міститься 6,67% вуглецю. Температура плавлення цементиту близько 1600 ° С. Він дуже твердий (НВ-800), крихкий і практично не володіє пластичністю. Цементит нестійкий і в певних умовах розпадається, виділяючи вільний вуглець у вигляді графіту по реакції Fe3C > 3Fe + C.
4. графіт - це вільний вуглець, м'який (НВ-3) і володіє низькою міцністю. У чавунах і графітізірованной стали міститься у вигляді включень різних форм (пластинчастої, кулястої та ін.). Зі зміною форми графітових включень змінюються механічні та технологічні властивості сплаву.
5. перліт (П) - механічна суміш (евтектоід, тобто подібний евтектиці, але утворюється з твердої фази) фериту і цементиту, що містить 0,8% вуглецю. Перліт може бути пластинчастим і зернистим (глобулярним), що залежить від форми цементиту (пластинки або зерна) і визначає механічні властивості перліту. При кімнатній температурі зернистий перліт має межу міцності ?в = 800МПа; відносне подовження ? = 15%; твердість НВ 160. Перліт утворюється в такий спосіб. Платівка (кулька) цементиту починає рости або від кордону зерна аустеніту, або центром кристалізації є неметалевої включення. При цьому сусідні області об'єднуються вуглецем і в них утворюється ферит. Цей процес призводить до утворення зерна перліту, що складається з паралельних пластинок або глобули цементиту і фериту. Чим грубіше і крупніше виділення цементиту, тим гірше механічні властивості перліту.
6. Ледебурит (Л) - механічна суміш (евтектика) аустеніту і цементиту, що містить 4,3% вуглецю. Ледебурит утворюється при затвердінні рідкого розплаву при 1147 ° С. Ледебурит має твердостьНВ 600-700 і велику крихкість. Оскільки при температурі 727 ° С аустеніт перетворюється в перліт, то це перетворення охоплює і аустеніт, що входить до складу ледебуріта. Внаслідок цього при температурі
Діаграма стану залізо - цементит (в спрощеному вигляді):
А - аустеніт, П - перліт, Л - ледебурит, Ф - ферит, Ц - цементит
нижче 727 "З ледебурит являє собою вже не суміш аустеніту з цементом, а суміш перліту з цементитом.
Крім перерахованих структурних складових в залізовуглецевих сплавах можуть бути небажані неметалеві включення: оксиди, нітриди, сульфіди, фосфіди - з'єднання з киснем, азотом, сіркою і фосфором. На їх основі можуть утворюватися нові структурні складові, наприклад фосфідную евтектика (Fe + Fe3P + Fe3C) з температурою плавлення 950 ° С. Вона утворюється при великих змістах фосфору в чавуні. При вмісті фосфору близько 0,5-0,7% фосфідную евтектика у вигляді суцільної сітки виділяється по межах зерен і підвищує крихкість чавуну.
Діаграма стану залізо - цементит. У діаграмі стану залізо - цементит (Fe-Fe3C) розглядаються процеси кристалізації залізовуглецевих сплавів (стали і чавуну) і перетворення в їх структурах при повільному охолодженні від рідкого розплаву до кімнатної температури. діаграма (Рис. 14) показує фазовий склад і структуру сплавів з концентрацією від чистого заліза до цементиту (6,67% С). Сплави з вмістом вуглецю до 2,14% називають сталлю, а від 2,14до 6,67% - чавуном.
Діаграма стану Fe-Fe3C представлена ??в спрощеному вигляді. Первинна кристалізація, тобто затвердіння рідкого металу починається при температурах, відповідних лінії ліквідусу ACD. Точка А на цій діаграмі відповідає температурі 1539 ° плавлення (затвердіння) заліза, точка D - температурі ~ 1600 ° С плавлення (затвердіння) цементиту. Лінія солідусу АЕСР відповідає температурам кінця затвердіння. При температурах, відповідних лінії АС, з рідкого сплаву кристалізується аустеніт, а лінії CD - цементит, званий первинним цементитом. У точці С при 1147 ° С і змісті вуглецю 4,3% з рідкого сплаву одночасно кристалізується аустеніт і цементит (первинний), утворюючи евтектики - ледебурит. При температурах, відповідних лінії солідусу АЕ, сплави з вмістом вуглецю до 2,14% остаточно тверднуть з утворенням аустеніту. На лінії солідусу ECF сплави з вмістом вуглецю від 2,14 до 6,67% остаточно тверднуть з утворенням евтектики (ледебуріта) і структур, що утворилися раніше з рідкого металу, а саме: в інтервалі 2,14-4,3% С - аустеніту , а в інтервалі 4,3-6,67% С цементиту первинного (див.рис. 14).
В результаті первинної кристалізації у всіх сплавах з вмістом вуглецю до 2,14%, тобто в сталях, утворюється однофазна структура - аустеніт. У сплавах з вмістом вуглецю понад 2,14%, тобто в чавунах, при первинній кристалізації утворюється евтектика ледебуріта.
вторинна кристалізація (Перетворення в твердому стані) відбувається при температурах, відповідних лініях GSE, PSK і ОРО. Перетворення в твердому стані відбуваються внаслідок переходу заліза з однієї аллотропическими модифікації в іншу (у в а) і в зв'язку зі зміною розчинності вуглецю в аустеніт і ферит. Зі зниженням температури розчинність зменшується. Надлишок вуглецю виділяється з твердих розчинів у вигляді цементиту.
В області діаграми AGSE знаходиться аустенит. При охолодженні сплавів аустеніт розпадається з виділенням фериту при температурах, відповідних лінії GS, і цементиту, званого вторинним, при температурах, відповідних лини і SE. Вторинним називають цементит, що виділяється з твердого розчину аустеніту, на відміну від первинного цементиту, що виділяється з рідкого розплаву. В області діаграми GSP знаходиться суміш фериту і розпадається аустеніту. Нижче лінії GР існує тільки ферит. При подальшому охолодженні до температур, відповідних лінії PQ, з фериту виділяється цементит (третинний). Лінія PQ показує, що зі зниженням температури
Мікроструктура:
а - доевтектоїдних сталь - ферит (світлі ділянки) і перліт (темні ділянки) при 500х збільшенні, б - евтектоїдна сталь - перліт (1000 '), в - заевтектоідних сталь - перліт і цементит у вигляді сітки (200')
розчинність вуглецю в фериті зменшується від 0,02% при 727 ° С до 0,005% при кімнатній температурі.
У точці S при вмісті 0,8% вуглецю і температурі 727 ° С весь аустеніт розпадається і перетворюється в механічну суміш фериту і цементиту-перліт. Сталь, що містить 0,8% вуглецю, називають евтектоїдной (рис. 15, б). Стали, що містять від 0,02 до 0,8% вуглецю називають доевтектоїдної (рис. 15, а), а від 0,8 до 2,14% вуглецю - заевтектоідних (рис. 15, в).
При температурах, відповідних лінії PSK, відбувається розпад аустеніту, що залишився в будь-якому сплаві системи, з утворенням перліту, що представляє собою механічну суміш фериту і цементиту. Лінію PSK називають лінією перлітного перетворення.
При температурах, відповідних лінії SE, аустеніт насичений вуглецем, і при зниженні температури з нього виділяється надлишковий вуглець у вигляді цементиту (вторинного).
Вертікaль DFKL означає, що цементит має незмінний хімічний склад. Змінюється лише форма і розмір його кристалів, що істотно відбивається на властивостях сплавів. Найбільші кристали цементиту утворюються, коли він виділяється при первинній кристалізації з рідини.
Білий чавун, що містить 4,3% вуглецю, називають евтектичним (рис. 16). Білі чавуни, що містять від 2,14 до 4,3% вуглецю, називають доевтектичний, а від 4,3 до 6,67% вуглецю - заевтектичних.
Мікроструктура білого чавуну при 500х збільшенні:
а - доевтектичний чавун - перліт (темні ділянки) і ледебурит (цементит вторинний в структурі не видно), б-евтектичних чавун -ледебуріт (суміш перліту і цементиту), в - заевтектичних чавун - цементит (світлі пластини) і ледебурит
Після досягнення температури 727 ° С (лінія PSK) аустеніт, збіднений вуглецем доевтектоїдної складу (0,8% вуглецю), перетворюється в перліт. Після остаточного охолодження доевтектичні білі чавуни складаються з перліту, ледебуріта (перліт + цементит) і цементиту (вторинного). Чим більше в структурі такого чавуну вуглецю, тим менше в ньому перліту і більше ледебуріта.
Білий евтектичних чавун (4,3% вуглецю) при температурах нижче 727 ° С складається тільки з ледебуріта. Білий заевтектичних чавун, що містить більше 4,3% вуглецю, після остаточного охолодження складається з цементиту (первинного) і ледебуріта. Слід зазначити, що при охолодженні ледебуріта нижче лінії PSK входить в нього аустенит перетворюється в перліт, тобто ледебурит при кімнатній температурі являє собою вже суміш цементиту і перліту. При цьому цементит утворює суцільну матрицю, в якій розміщені колонії перліту. Така будова ледебуріта є причиною його великої твердості (НВ 600) та крихкості.
Діаграма стану залізо - цементит має велике практичне значення. Її застосовують для визначення теплових режимів термічної обробки і гарячої обробки тиском (кування, гаряче штампування, прокатка) залізовуглецевих сплавів. Її використовують також у ливарному виробництві для визначення температури плавлення, що необхідно для призначення режиму заливки рідкого залізовуглецевого сплаву в ливарні форми.
ГЛАВА III. залізовуглецевих сплавів
Кристалічної будови 1 сторінка | Кристалічної будови 2 сторінка | Кристалічної будови 3 сторінка | Кристалічної будови 4 сторінка | Кристалічної будови 5 сторінка | Кристалічної будови 6 сторінка | КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ | МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ | Легованих конструкційних СТАЛИ | АЛЮМІНІЙ І АЛЮМІНІЄВІ СПЛАВИ |