Теоретичні відомості. Діаграма стану залізо – цементит дає можливість встановити вид фазових перетворень, що відбуваються при різних температурах в залізо-вуглецевих сплавах при

Діаграма стану залізо – цементит дає можливість встановити вид фазових перетворень, що відбуваються при різних температурах в залізо-вуглецевих сплавах при повільному охолодженні (рисунок 4.1).

За допомогою діаграми стану для будь-якого сплаву чи його компонента можна, зокрема, встановити:

а) наявність змін у будові сплаву при його нагріванні чи охо­лоджуванні;

б) назву фаз і структурних складових, а також кількість кожної з них при заданій температурі;

в) положення критичних точок (критичних температур);

г) режими термічної обробки сплавів тощо.

Засновником діаграми стану залізо-цементит є Д.К. Чернов, який у 1868 р. вперше відкрив критичні точки в сталі та їх положення залежно від вмісту в ній вуглецю та температури.

Основним компонентом залізо-вуглецевих сплавів є залізо – метал сріблясто-сірого кольору, який має густину 7,8 г/см³ і температуру плавлення 1539 ºС.

У твердому стані залізо може знаходитись у двох модифікаціях: Fe_α (ОЦК) і Fe _γ (ГЦК). Модифікація Fe_α існує в інтервалах темпе­ратур 0...911 ºС та від 1392 ºС до температури плавлення, а Fe_γ – в інтервалі температур 911...1392 ºС.

До температури 768 ºС залізо перебуває у магнітному стані, при підвищенні температури – стає немагнітним.

Залізо з багатьма елементами утворює розчини: з металами – роз­чини заміщення, з вуглецем, азотом і воднем – розчини впровадження.

Розчинність вуглецю, в Fe_α (кристалічна решітка – ОЦК) мала і залежить від температури та складає 0,006…0,02 %. Твердий розчин впровадження вуглецю в Fe_α називається феритом. Механічні властивості фериту наступні: σ _в ≈ 300 МПа; δ ≈ 30 %; НВ800 МПа.

Розчинність вуглецю з Fe_γ також залежить від температури і може досягати 2,14 %. Твердий розчин впровадження вуглецю в Fe_γ називається аустенітом. Він має невисокі міцність і твердість, але більш пластичний (δ ≈ 60 %).

Залізо з вуглецем утворює також хімічну сполуку Fe₃C (карбід заліза), яка називається цементитом. У ньому міститься 6,67 % C. Він має складну кристалічну гратку. Температура плавлення цементиту близько 1250 ºС (1550 ºС). При нагріванні до температури 217 ºС він є магнітним, має дуже високу твердість (НВ8000 МПа), майже нульову пластичність (δ ≈ 0 %).

Відрізняють: первинний, вторинний і третинний цементит. Первин­ний цементит (Ц_І) виділяється при кристалізації з рідкої фази, вто­ринний (Ц_ІІ) – при вторинній кристалізації з аустеніту, третинний (Ц_ІІІ) – при третинній кристалізації з фериту.

З діаграми стану (рис. 4.1) видно, що первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур, що визначаються на лініях лік­відусу (АВСД) і солідусу (АНІЕCF). Вторинна кристалізація викликана перетворенням заліза з однієї алотропної модифікації в іншу та зменшенням розчинності вуглецю в різних модифікаціях заліза.

Діаграма стану сплавів системи Fe – Fe₃ C складається з кількох ділянок, утворених лініями діаграми. Кожна така ділянка характеризу­ється певним структурним станом і відповідним йому вмістом вуглецю. Структурний стан сплаву містить одну чи дві фази, які, в свою чергу, у твердому стані утворюють структурні складові, а решта – структуру сплаву. Структур­на складова – це елемент структури, що складається з однієї чи більше фаз. Структурними складовими є аустеніт, цементит, ферит, перліт, ледебурит, причому останні дві є двофазними, а решта – однофазними.

Лінії діаграми відповідають положенню критичних точок, а останні, як відомо, – фазовим перетворюванням, тобто кристалізації чи плавленню.

Лінії ВС і СД – температури початку кристалізацій відповід­но аустеніту (ВС) та первинного цементиту (СД). При виділенні кри­сталів аустеніту з рідкої фази її склад буде збагачуватись вуглецем і у міру зниження температури змінюватись по лінії ВС (ліквідус).

Склад твердої фази (аустеніту) при цьому буде збагачуватись вугле­цем і змінюватись по лінії ІЕ (солідус). При виділенні з рідкої фази кристалів первинного цементиту її склад буде збіднюватись вуглецем і змінюватись із зниженням температури по лінії СД (солідус).

Склад твердої фази (цементиту) при цьому буде постійним. При досягненні температури 1147 ºС склад рідкої фази для будь-якого сплаву, що знаходиться між точками Е і F буде відповідати точці С (4,43 % С). За цієї температури рідка фаза даного складу буде кристалізуватись з утворенням евтектичної механічної суміші, що складається з аустеніту складу точки Е і цементиту складу точ­ки F. Ця евтектика називаються ледебуритом. Отже, лінія ЕСF відповідає температурі утворення ледебуриту; останній має високі твердість (НВ7000 МПа) і крихкість.

Рисунок 4.1 – Діаграма стану сплавів залізо-цементит

Лінії GS і SE означають температури початку вторинної кристалізації з аустеніту відповідно фериту (GS) і вторинного цементиту (S E). Склад аустеніту при зниженні температури буде зміню­ватись: для сплавів, що лежать ліворуч від точки S ₁ – по лінії GS; для сплавів, що лежать праворуч від точки S ₁ – по лінії SE. При досягненні температури 723 ºС склад аустеніту буде відповідати точці S (0,83 %). За цієї температури аустеніт складу точки S буде перетворю­ватись в евтектоїдну механічну суміш, що складається з фериту складу точки Р і цементиту складу точки К, яка називається перлітом. Отже, лінія РСК означає температуру утворення перліту.

Перліт має такі механічні властивості: σ_в ≈ 900 МПа, δ ≈ 10%; НВ2000 МПа.

Лінія GP означає температуру кінця вторинної перекристаліза­ції аустеніту у ферит. При охолоджуванні залізо-вуглецевих сплавів нижче лінії РSК починається третинна перекристалізація, пов'язана із зменшенням розчинності вуглецю у фериті.

Лінія РQ означає температуру початку виділення третинного цементиту із фериту.