Лекция №5 диаграмма состояния железо - углерод

В сплавах при охлаждении и нагреве происходят изменения и образуются новые фазы и структуры. Эти изменения можно определить по диаграмме состояния. Диаграммой состояния называется графическое изображение, показывающее фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и химической концентрации компонентов в условиях равновесия.

Фаза — однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства сплава изменяются скачкообразно. Большое практическое значение имеет диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 2).

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие составляющие:

аустенит — твердый раствор углерода в -железе с предельной концентрацией углерода 2,14 % при температуре 1147°С; с понижением температуры до 727 °С концентрация углерода уменьшается до 0,8 %; сталь со структурой аустенита немагнитна и имеет высокие пластичность и вязкость;

феррит — твердый раствор углерода в -железе с предельной концентрацией углерода 0,02 % при температуре 727 ⁰С; феррит имеет малую твердость и высокую пластичность;

цементит — химическое соединение железа с углеродом Fe₃С (6,67 % С); имеет большие твердость и хрупкость;

перлит — механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (0,8 % С); сталь, имеющая структуру перлита, обладает большими прочностью

и твердостью;

ледебурит (4,3 % С) — механическая смесь (эвтектика) аустенита или перлита и цементита; ниже 727 °С аустенит превращается в перлит, при этом образуется смесь перлита и цементита;

графит — углерод в свободном состоянии, располагается в основной массе металла и имеет развитую объемную форму в виде пластинок; кроме пластинчатого графита можно получить графит компактных форм (шаровидный или хлопьевидный), образующийся в результате распада цементита или выделяющийся из пересыщенных твердых растворов железа с углеродом. В железоуглеродистом сплаве графит образуется при содержании Si  1,5 % и при очень медленном охлаждении. Графит мягок и обладает низкой прочностью.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

Основные свойства сплава определяются содержанием главной примеси – углерода. Взаимодействие углерода с - или -модификациями железа приводит к образованию железоуглеродистых сплавов, различных по строению и свойствам. Построение диаграммы состояния железо— углерод (цементит) дает представление о температурных и концентрационных границах существования этих сплавов.

На диаграмме состояния железо—цементит (рис. 2) линия ACD — линия ликвидуса, выше нее сплав находится в жидком состоянии; линия AECF — линия солидуса, ниже нее сплав находится в твердом состоянии. При температурах, соответствующих линии AECF заканчивается первичная кристаллизация. В точке С при концентрации углерода 4,3 % образуется эвтектика, которая носит название ледебурит. Линия PSK — эвтектоидная линия, на которой заканчивается .процесс вторичной кристаллизации. Линия PS— линия нижних критических точек А₁. Линия GSE — начало процесса вторичной кристаллизации твердого раствора. Линия GS — линия верхних критических точек Л₃; она показывает температуру выделе­ния феррита из аустенита. Линия SE — линия верхних критических точек А_т; она показывает температуру начала выделения вторичного цементита и является линией предельной растворимости углерода в аустените. Сплавы, содержащие до 2,14 % С, условно называют сталями, более 2,14 % С — чугунами. Сталь, содержащая 0,8 % С, называется эвтектоидной сталью; сталь, содержащая менее 0,8 % С — доэвтектоидной. Сталь, содержащая более 0,8 % С — заэвтектоидной.

СПЛАВЫ ДИАГРАММЫ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД.

СТАЛИ.

Вуглецеві сталі – сплави заліза з вуглецем, у яких міститься до 2,14 % вуглецю.

Залізо – метал сріблистого кольору. Температура плавлення 1539°С (± 5°С). Технічне залізо – має високу пластичність ( = 50 %,  = 85 %), малу міцність (_В = 250 МН/м²), твердість - 80 НВ.

Залізо може знаходитися в двох модифікаціях: -залізо і -залізо.

Модифікація -заліза існує в інтервалі температур до 911°С і від 1392 до 1539°С (високотемпературна модифікація іноді називається -залізом). Залізо даної модифікації має обємноцентровану кубічну гратку.

Модифікація -заліза існує в інтервалі температур від 911 до 1392°С, має граньоцентровану кубічну гратку.

До температури 768⁰С залізо зберігає феромагнітні властивості, при нагріванні вище цієї температури залізо переходить у парамагнітний стан.

Вуглець – є неметалічним елементом, важкість 2,5 г/см³, температура плавлення 3500°С. Вуглець є поліморфним матеріалом. У звичайних умовах він знаходиться у виді модифікації графіту, але може існувати й у виді метастабільної модифікації алмаза. Вуглець розчинний у залізі в рідкому і твердому станах. У сталях може знаходитися у виді хімічно зв'язаних зєднань – карбідів заліза (FeС, Fe₂C і Fe₃C), найбільш стійким з яких є Fe₃C.

Взаємодіючи з вуглецем, залізо утворює тверді розчини проникання – ферит і аустеніт або хімічне зєднання (карбід заліза Fe₃C, тобто цементит).

Ферит (Ф) – твердий розчин проникання атомів вуглецю в -залізо. Ферит має обємноцентровану кубічну гратку. Розрізняють низькотемпературний ферит (-ферит) і високотемпературний ферит (-ферит). Максимальна розчинність вуглецю в -залізі складає 0,025 % при температурі 727⁰С. Зі зниженням температури розчинність знижується і при кімнатній температурі складає 0,006 % вуглецю. Високотемпературний -ферит має граничну розчинність вуглецю 0,1 % при температурі 1499⁰С. У мікроструктурі, після травлення, ферит має вигляд світлих зернин. Ферит має низьку міцність (_В = 250 МПа) і твердість (НВ 80 – 90), але високу пластичність ( = 50%;  = 80%), підвищені магнітні і корозійні властивості.

Аустеніт (А) – твердий розчин проникання атомів вуглецю в -залізо. Аустеніт має граньоцентровану кубічну гратку (рис. 1, а). Гранична розчинність вуглецю в -залізі складає 2,14% при температурі 1147⁰С. Зі зниженням температури розчинність вуглецю знижується і при 727⁰С складає 0,8 %. Рівноважний аустеніт може існувати тільки при високих температурах (вище 727°С). При більш низькій температурі він розпадається з утворенням інших структур. Аустеніт є немагнітною фазою, володіє високою хімічною стійкістю, гарною опірністю стиранню і великою в'язкістю. Аустеніт має невисокі твердість (НВ 160 – 200) і міцність (_В = 600 – 800 МПа), але високу пластичність (відносне подовження  = 40 – 50 %).

Цементит (Ц) – хімічна сполука заліза з вуглецем – карбід заліза Fe₃C; у який міститься 6,67 % вуглецю. Цементит має складну ромбічну ґратку з щільним упакуванням атомів (рис. 1, б). Температура плавлення цементиту точно не визначена в зв'язку з можливістю його розпаду при нагріванні і приймається 1250⁰С. Цементит має дуже високу твердість (800 НВ), але надзвичайно низьку, практично нульову, пластичність. При звичайних температурах цементит має низькі феромагнітні властивості, які губляться при нагріванні вище 217°С.

Ферит, аустеніт, цементит – це однофазні структури, але в сплавах можуть утворюватися і двофазні структури, як, наприклад, перліт.

Перліт (П) – це механічна суміш фериту і цементиту. Перліт містить 0,8 % вуглецю й утворюється при охолодженні нижче температури 727⁰С з аустеніту в результаті евтектоїдного перетворення:

А_S  Ф_Р + Ц.

У залежності від форми часточок цементиту перліт може мати пластинчасту і зернисту будову (рис. 5).

Сталь із зернистим перлітом має більш низьку твердість, границю міцності і, відповідно, більш високі значення щодо подовження і звуження. Наприклад, евтектоїдна сталь із пластинчастим перлітом має твердість НВ 228, а з зернистим перлітом – НВ 163; відповідно границя міцності 820 і 630 МПа і відносне подовження 15 і 20 %.

Утворення тих чи інших фаз і структур у залізовуглецевих сплавах можна вивчити, розглядаючи процеси, що відбуваються в них відповідно до діаграми стану залізо – цементит (рис. 2).

Залізовуглецеві сплави з концентрацією вуглецю до 0,025 % називають технічним залізом, з концентрацією вуглецю від 0,025 до 2,14 % – сталями.

Сталі по змісту вуглецю поділяються на:

– доевтектоїдні зі змістом вуглецю від 0,025 до 0,8 %;

– евтектоїдні зі змістом вуглецю 0,81 %;

– заевтектоїдні зі змістом вуглецю від 0,82 до 2,14 %.

Технічно чисте залізо – зі змістом вуглецю менш 0,006 % має однофазну структуру, що складається з одного фериту. При змісті вуглецю більш 0,006 %, але менш 0,025 % структура технічно чистого заліза складається з фериту і цементиту третинного (Ц _III), що виділяється по границях зернин фериту.

Виділення третинного цементиту при охолодженні відбувається внаслідок зменшення розчинності вуглецю у фериті по лінії PQ (рис. 2). Включення третинного цементиту по границях зерен різко знижує пластичність фериту. Мікроструктура технічно чистого заліза показана на рис. 3.

Хімічно чисте залізо через труднощі його одержання застосовують тільки при лабораторних дослідженнях. У техніці найчастіше застосовують так називані технічні сорти чистого заліза.

Доевтектоїдні сталі – мають структуру, що складається з фериту і перліту (рис. 4). До доевтектоїдних сталей відносять сплави, що містять від 0,025 до 0,8 % вуглецю.

У доевтектоїдних сталях після травлення 5 % розчином HNO₃ ферит виділяється у виді світлих зернин, а перліт – у виді темних зернин, що мають пластинчасту будову.

По змісту вуглецю доевтектоїдні сталі можна підрозділити на:

– маловуглецеві зі змістом вуглецю від 0,025 до 0,25 % (рис. 4, а);

– середньовуглецеві зі змістом вуглецю від 0,25 до 0,6 % (рис. 4, б);

–вуглецеві (високовуглецеві) зі змістом вуглецю більш 0,6 % (рис. 4, в).

Кількість фериту і перліту в доевтектоїдній сталі залежить від змісту вуглецю. Зі збільшенням змісту вуглецю кількість фериту зменшується, а кількість перліту збільшується. Так, у доевтектоїдних маловуглецевих сталях у структурі переважає надлишковий ферит, перліту – значно менше (рис. 4, а). У середньовуглецевих доевтектоїдних сталях кількість фериту і перліту приблизно однаково (рис. 4, б), у високовуглецевих – значно більше перліту (рис. 4, в).

Звичайно при рисуванні структур доевтектоїдних сталей студент натрапляє на труднощі в зображенні перліту. У сталях перліт часто має пластинчасту будову: складається з пластинок, фериту і цементиту, що чергуються, співвідношення товщин яких дорівнює 7:1. Тому, навіть у тих випадках, коли через недостатнє збільшення оптики мікроскопа пластинки фериту і цементиту роздільно не розрізняються, і перліт виглядає суцільним, однорідним по фарбуванню зерном, схематично цю структурну складову прийнято зображувати пластинчастою (рис. 4).

У доевтектоїдних сталях по співвідношенню площ, займаних у досліджуваній сталі – перлітом і феритом, можна приблизно оцінити зміст у ній вуглецю. У зв'язку з тим, що у фериті розчинена дуже невелика кількість вуглецю, практично можна вважати, що в доевтектоїдних сталях весь вуглець знаходиться в перліті. Таким чином, визначивши площу, займану в структурі перлітом, і знаючи, що в структурі, що складається з 100 % перліту, міститься 0,81 вуглецю, можна визначити зміст вуглецю в досліджуваній сталі користуючись формулою:

;

де F_П – площа, зайнята перлітом у %.

Наприклад, якщо на розглянутому полі шліфа перліт займає, приблизно, 30 % площі мікроструктури, то зміст вуглецю стали дорівнює близько 0,24%:

.

Знаючи процентний зміст вуглецю можна визначити марку сталі.

Евтектоїдна сталь – містить 0,81 % вуглецю. Її структура складається з перліту (100 %). Поверхня мікрошліфа має перламутровий відлив, у зв'язку з чим перліт і одержав свою назву. Труднощі зображення структури полягають у тому, що як і в доевтектоїдних сталях, при середніх і малих збільшеннях оптики мікроскопа, у перліті не розрізняються окремо пластинки фериту і цементиту, і, крім того, важко розрізнити границі між окремими перлітними зернинами (колоніями). У цьому випадку потрібно області в структурі з однорідним фарбуванням зображувати у виді окремих перлітних колоній, що примикають одна до одної, з характерною для кожної пластинчастою будовою (рис. 5, а).

Крім пластинчастої перліт може мати і зернисту будову (рис. 5, б). У такому перліті цементит у виді глобул розташований у феритних зернинах. Така структура називається зернистим перлітом. Крім евтектоїдної сталі зернистий перліт може бути в заевтектоїдних сталях.

Заевтектоїдна сталь – містить вуглецю від 0,82 % до 2,14 %. Структура заевтектоїдних сталей складається з перліту і цементиту вторинного (рис. 6).

Вторинний цементит виділяється з аустеніту при охолодженні від температури лінії SE до лінії евтектоїдної рівноваги (PSK) унаслідок зменшення розчинності вуглецю в аустеніті (рис. 2).

При повільному охолодженні вторинний цементит виділяється у виді сітки (оболонки) по границях зернин аустеніту, що при охолодженні нижче температури 727°С (лінія PSK) перетворюється в перліт.

Зміст цементиту вторинного в структурі заевтектоїдної сталі зростає зі збільшенням концентрації вуглецю від 3,4 % при (1 % С) до 20,4 % при (2,0 % С).

Вторинний цементит досить чітко виявляється при звичайному травленні в 4 %-вому спиртовому розчині азотної кислоти.

У доевтектоїдних сталях, що містять трохи менше 0,8 % С, надлишковий ферит також може виділятися у виді сітки по границях зернин перліту: дана сітка при травленні вищезгаданим реактивом також виходить світлою. Якщо викликає сумнів, чи є сталь доевтектоїдною чи заевтектоїдною, тобто чи є світла сітка феритною чи цементитною, прибігають до контрольного травлення пікратом натрію. Пікрат натрію офарблює цементит у темнокоричневий колір. Тому, якщо сітка після травлення пікратом натрію залишилася світлою, значить це ферит і сталь доевтектоїдна, якщо ж сітка стала темною – сталь заевтектоїдна.

Підводячи підсумки мікроструктурного аналізу вуглецевих сталей, необхідно відзначити наступне – технічне залізо і всі вуглецеві сталі при кімнатних температурах складаються з двох фаз: фериту і цементиту.

При збільшенні змісту вуглецю кількість фериту в структурі поступово зменшується, а цементиту навпаки – збільшується. Так, технічне залізо при змістах вуглецю менш 0,006 % складається тільки з фериту, а при більш високих – з фериту і цементиту третинного. У доевтектоїдних сталях крім цементиту третинного є присутнім цементит перлітний, кількість якого зі збільшенням змісту вуглецю в сталях безупинно росте аж до евтектоїдної концентрації (0,81 % С). У заевтектоїдних сталях подальший ріст кількості цементитної фази забезпечується за рахунок цементиту вторинного.

Оскільки уже відомо, що ферит є дуже м'якою маломіцною і пластичною фазою, а цементит – дуже твердою і крихкою фазою, логічно припустити, що зі збільшенням змісту вуглецю твердість і міцність вуглецевих сталей повинна збільшуватися, а пластичність знижуватися. Це, в основному, підтверджується механічними випробуваннями сталей (рис. 7). Зниження границі міцності сталей при змістах вуглецю понад 1,0 % пояснюється прогресуючим підвищенням крихкості заевтектоїдних сталей за рахунок утворення карбідної сітки з крихкої цементитної фази в їхній структурі.