1.4 Залізовуглецеві сплави  основні конструкційні

матеріали

1.4.1 Загальні положення

З якнайдавніших часів як конструкційні матеріали використовуються не тільки металеві, але і неметалічні матеріали. Проте, не дивлячись на успіхи, досягнуті в створенні неметалічних матеріалів, все ж таки основними є металеві конструкційні матеріали.

У техніці перш за все застосовуються залізовуглецеві сплави, до яких відносяться сталі і чавуни. Наприклад, сталь має краще поєднання міцності, надійності і довговічності зі всіх відомих в техніці матеріалів і тому є основним матеріалом для виготовлення відповідальних виробів, що піддаються великим навантаженням. Чавуни також володіють рядом цінних якостей, що вигідно відрізняють їх від інших конструкційних матеріалів. Об'єм виробництва чавуну і сталі більш ніж в 10 разів перевершує об'єм виробництва інших металевих матеріалів.

Вивчення процесів кристалізації залізовуглецевих сплавів і закономірностей утворення фаз і структурних складових здійснюється на підставі діаграми стану системи Fe – С, а саме тієї її частини, яка має промислове значення і обмежується концентрацією вуглецю рівної 6,67%, тобто діаграми Fe – Fe₃C.

Компонентами в цій системі є залізо і вуглець.

Залізо – метал сріблясто-білого кольору, з температурою плавлення, яка дорівнює 1539^оС. До температури 768^оС (точка Кюрі) залізо є феромагнітним, а вище – парамагнітним.

Залізо має дві алотропічні модифікації: Fe_ (з об’ємноцентрованою кубічною граткою) і Fe_ ( з гранецентрованою кубічною граткою). Fe_ існує при температурах нижче 911^оС і вище 1392^оС. В інтервалі температур 911…1392^оС існує Fe_.

Вуглець також існує в двох модифікаціях: графіту і алмазу. За нормальних умов стабільний графіт, алмаз представляє його метастабільну модифікацію. При високому тиску і температурах стабільним стає алмаз.

Є дві діаграми стану: метастабільна – яка характеризує перетворення в системі залізо - цементит, і стабільна, яка характеризує перетворення в діаграмі залізо – графіт (рис. 5).

Фазами в сплавах заліза з вуглецем є рідкий розчин, ферит, аустеніт, цементит і вільний вуглець у вигляді графіту.

Лінія PSK позначається А_1, лінія GS – А₃. При нагріванні додається індекс с – (А_С1), а при охолоджуванні r  – (A_r1). Лінія SE позначається А_cm.

Рисунок 5  Діаграма стану системи Fe-Fe₃C (суцільні лінії відповідають метастабільній діаграмі, штрихові – стабільній)

Ферит – твердий розчин упровадження вуглецю в Fe_. Розрізняють низькотемпературний (гранична розчинність вуглецю – 0,025%) і високотемпературний ферит (гранична розчинність вуглецю – 0,1%). Механічні властивості фериту: _в  =300 МПа; δ  =40%;   = 70%; 80…100 НB.

Аустеніт  твердий розчин упровадження вуглецю в Fe_ з максимальною розчинністю 2,14%. Аустеніт пластичний, але міцніший за ферит, його твердість складає 160…200  НВ при кімнатній температурі.

Цементит є хімічним з'єднанням Fe₃C, містить 6,67%С і має складну ромбічну гратку. Цементит твердий (до 800 НВ) і крихкий, володіє слабким феромагнетизмом до 210^оС. Температуру плавлення цементиту важко визначити у зв'язку з його розпадом при нагріві, але при надшвидкому нагріві лазерним променем вона встановлена рівною 1260^оС.

Графіт – вуглець, що виділяється в залізовуглецевих сплавах у вільному стані. Має шаруваті гексагональні кристалічні гратки з відстанню між площинами, рівною 0,340 нм. Міжатомні відстані складають 0,142 нм. Графіт володіє низькою міцністю і твердістю, що пояснюється великими відстанями і слабким зв'язком між шарами в його гратках. Температура плавлення графіту досягає 3500^оС, а густина – 2,5 г/см³.

Внаслідок евтектоїдного перетворення при температурі 727^оС утворюється евтектоїдна механічна суміш фериту і цементиту – перліт.

У результаті евтектичного перетворення при температурі 1147^оС утворюється евтектична механічна суміш аустеніту і цементиту – ледебурит.