Компоненти і фази в системі залізо – вуглець
Лекція 3
ЗАЛІЗО І ЙОГО СПЛАВИ
Сплави заліза поширені в промисловості, найбільше широко. Основні з них (сталь і чавун) являють собою сплави заліза з вуглецем. Для одержання заданих властивостей у сталь і чавун уводять легуючі елементи (Si, Mn, Cr, Ni, Mo і ін.). Фазові перетворення в сплавах залізо — вуглець у залежності від температури і складу сплаву описуються метастабільною діаграмою стану Fe - Fe3Cі діаграмою фазової рівноваги Fe - С.
Компоненти і фази в системі залізо – вуглець
Залізо - перехідний елемент VIII групи IV періоду, чисте залізо - метал сріблисто-білого кольору. Атомний номер 26, атомна маса 55,85 (табл. 1), атомний радіус 0,127 нм. Чисте залізо, що може бути отримане в даний час, містить 99,999 % Fe, а технічні сорти 99,8—99,9 % Fe. Температура плавлення заліза 1539 °С. Залізо відоме в двох поліморфних модифікаціях: αі γ. α-Залізо існує при температурах нижче 910 °С и вище 1392 °С (рис.1). Для 1392-1539 °С нерідко α-залізо позначають як δ-залізо.
Кристалічні ґрати α-заліза об’ємноцентрований куб з періодом ґрат 0,28606 нм; до 768°С α-залізо магнітно (феромагнітна). Критичну крапку (768 °С), що відповідає магнітному перетворенню, тобто переходові з феромагнітного стану в парамагнітне, називають крапкою Кюрі і позначають А2. Магнітні властивості заліза сильно залежать від його чистоти і режимів термічної обробки. Для полікристалічного заліза, що містить 99,8-99,9 % Fe, максимальна магнітна проникність μмах= (6,28-12,5) • 10 -3 М/м і коерцитивна сила Нс = 39,8 -79,6 А/м, для заліза з 99,99% Fe μмах = 35,2-10-3 М/м і Нс~1,99 А/м. Щільність α-заліза 7,68 г/см3. Коефіцієнт лінійного розширення заліза 11,7*10-6°С-1, питоме електроопір ≈10-104 Ом-м і теплопровідність 83,6 Ут/(м∙К), α (δ)- залізо існує при температурі 910 - 1392 °С; воно парамагнітне.
Критичну крапку α↔γ-перетворення (рис.1) при 910 °С позначають відповідно Асз (при нагріванні) і Ar3 (при охолодженні). Критичну крапку переходу α(δ)↔у-залоза при 1392 °С позначають Ас4 (при нагріванні) і Аr4 (при охолодженні) .
Кристалічні ґрати γ-заліза - гранецентрований куб з періодом 0,3645 нм при 910 °С. Щільність заліза (отримана екстраполюванням при 20 °С) вище, ніж заліза-α, і дорівнює 8,0-8,1г/см3. При перетворенні α→γ відбувається стиск. Об'ємний ефект стиску складає приблизно 1,0%.
Рис. 1.Криві нагрівання й охолодження заліза
Вуглець є неметалічним елементом II періоду IV групи Періодичної системи, атомний номер 6, щільність 2,5 г/см3, атомна маса 12,011, температура плавлення 3500 °С, атомний радіус 0,077 нм. Вуглець поліморфний. У звичайних умовах він знаходиться у виді модифікації графіту, але може існувати й у виді метастабільної модифікації алмаза.
Вуглець розчинний у залозі в рідкому і твердому станах, а також може бути у виді хімічної сполуки — цементиту, а у високо вуглецевих сплавах і у виді графіту.
У системі Fe - С розрізняють наступні фази: рідкий розчин вуглецю в залозі, тверді розчини - ферит і аустеніт, а також цементит і графить.
Ферит(Ф) - твердий розчин вуглецю й інших домішок у α-залозі. Розрізняють низькотемпературний α-ферит з розчинністю вуглецю до 0,02% і високотемпературний α(δ)- ферит із граничною розчинністю вуглецю 0,1 %. Атом вуглецю розташовується в ґратах фериту в центрі грані куба, де міститься сфера радіусом 0,29 атомного радіуса заліза, а також, у вакансіях, на дислокаціях і т.д. Під мікроскопом ферит виявляється у виді однорідних поліедричних зерен (рис. 2,а).
Ферит (при 0,06 % С) має приблизно наступні механічні властивості: ав = 250 МПа, σо.2= 120 МПа, δ = 50 %, ψ = 80 %, 80—90 НВ.
Аустеніт(А) - твердий розчин вуглецю й інших домішок у γ-залозі. Гранична розчинність вуглецю в γ-залозі 2,14 %. Атом вуглецю в ґратах γ-заліза розташовується в центрі елементарного осередку, у якій може поміститися сфера радіусом 0,41R (R — атомний радіус заліза) і в дефектних областях кристала. Різні обсяги елементарних сфер в о.ц.к. ґратах і визначили значно велику розчинність вуглецю в γ-залозі в порівнянні з ?-залізом. Аустеніт має високу пластичність, низькими границями текучості і міцності. Мікроструктура аустеніту - поліедричні зерна (рис. 3,б).
Рис. 2.Структура фериту (а) і аустеніту (б), виявленого при 1000 °С в вакуумній камері
Цементит — це хімічна сполука заліза з вуглецем - карбід заліза Fe3C. У цементиті утримується 6,67 % С.
Цементит має складні ромбічні ґрати з щільним упакуванням атомів. Температура плавлення цементиту точно не визначена в зв'язку з можливістю його розпаду і приймається приблизно рівної 1250 °С. До 210 °С (крапка Ао) цементит феромагнітний. До характерних рис цементиту відносяться висока твердість 1000 HV і дуже мала пластичність. Цементит є метастабільною фазою. В умовах рівноваги в сплавах з високим змістом вуглецю утвориться графіт.
Графит— кристалічні ґрати графіту гексагональна шарувата. Міжатомні відстані в ґратах невеликі і складають 0,142 нм, відстань між площинами дорівнює 0,340 нм. Графит м'який, має низьку міцність і електропровідністю.
2. Діаграма стану залізо – цементит (метастабільна рівновага)
На діаграмі (рис. 4) стану залізо - вуглець (цементит) приведені фазовий склад і структура сплавів з концентрацією від чистого заліза до цементиту (6,67 % С). Система Fe - Fe3C метастабільна. Утворення цементиту замість графіту дає менший виграш енергії Гиббса, однак кінетичне утворення карбіду заліза більш ймовірно.
На діаграмі Fe-Fe3C точка А (1539 °С) відповідає температурі плавлення заліза, а точка D (1250 °С) - температурі плавлення цементиту лінія DFKL - лінія цементиту. Передбачається, що розчинність компонентів у цементиті незначна. Точки N (1392 °С) і G (910 °С) відповідають поліморфному перетворенню α↔γ.
Концентрація вуглецю (по масі) для характерних крапок діаграми стану Fe - Fe3C (рис. 3) наступна: У - 0,51 % С - у рідкій фазі, що знаходиться в рівновазі з α(δ)- феритом і аустенітом при перитектичній температурі 1490 °С;Н - 0,1 % С - граничний зміст у α(δ)- фериту при 1490 °С; J - 0,16% С - в аустеніті при перитектичній температурі 1490 °С; Е-2,14 % С - граничний вміст в аустеніті при евтектичній температурі 1147 °С; S - 0,8% С - в аустеніті при температурі евтектоїда 727 °С; Р - 0,02% С - граничний зміст у фериті при температурі евтектоїда 727 °С.
Рис. 3. Діаграма стану Fe—Fe3C (метастабільна)
Кристалізація сплавів Fe - Fe3C
Лінії діаграми стану Fe - Fe3C визначальний процес кристалізації, мають наступні позначення і фізичний зміст. АВ (лінія ліквідус) показує температуру початку кристалізації α(δ)фериту (Фδ) з рідкого сплаву (Ж); ВР (лінія ліквідус) відповідає температурі початку кристалізації аустеніту (А) з рідкого сплаву (Ж); CD (лінія ліквідус) відповідає температурі початку кристалізації первинного цементиту (Fe3C) з рідкого сплаву (Ж); АН (лінія солідус) є температурною границею області рідкого сплаву і кристалів α(δ)фериту (Фδ) - нижче цієї лінії існує тільки α(δ)-ферит; HJB - лінія перитектичного нонваріантного (С=0) рівноваги (1490°); по досягненні температури, що відповідає лінії HJB, протікає перитектична реакція [рідина складу У взаємодіє з кристалами α(δ)фериту складу Н с утворенням аустеніту складу J]: Жв + Фн+Aj.
Лінія ECF (лінія солідус) відповідає кристалізації евтектики — ледебурит:
Жс→АЕ + Fe3C
Розглянемо кристалізацію деяких сплавів. Так, у сплавах, що містять до 0,1 % С, кристалізація закінчується при температурах, що відповідає лінії АН, з утворенням α(δ)фериту (див. рис. 3). У сплавах, що містять 0,1 - 0,16 % С, при переохолодженні трохи нижче температур, що відповідають лінії АВ, з рідкої фази починають виділятися кристалі α(δ)-фериту, і сплав стає двофазним [рідкий сплав і кристалі α(δ)фериту]. Склад α(δ)фериту при зниженні температури міняється по лінії солідус, а склад рідкого сплаву - по лінії ліквідус. При 1490 °С в рівновазі знаходяться α(δ)- ферит складу крапки Н (0,1 % С) і рідка фаза складу крапки В (0,51 % С).
При цій температурі протікає перитектичне перетворення (Жв + Фн→Фн+Aj), у результаті якого утвориться двофазна структура α(δ)-ферит (Ф) +γ-твердий розчин (А). У сплаві, що містить 0,16% С (точка J), вихідні кристалі твердого розчину α(δ)- фериту в результаті взаємодії з рідкою фазою при перитектичної реакції цілком перетворюються в аустеніт: Жв + Фн→Aj.
У сплавах, що містять від 0,15 до 0,5 % С, при перитектичній температурі в результаті взаємодії між α(δ)- феритом і рідкою фазою утвориться аустеніт, але деяка кількість рідкої фази залишається; Жв + Фн → Жв+Aj. Тому при температурах нижче лінії JB сплав буде двофазним: аустеніт+рідина. Процес кристалізації закінчиться по досягненні температур, що відповідають лінії солідус JE. Після затвердіння сплави здобувають однофазну структуру — аустеніт (рис.4, сплав 1).
Сплави, що містять від 0,51 до 2,14 % С, кристалізуються в інтервалі температур, обмеженому лініями ВР і JE. Нижче лінії ВР сплави складаються з рідкої фази й аустеніту. У процесі кристалізації склад рідкої фази змінюється по лінії ліквідус, а аустеніту - по лінії солідус. Так, у сплаві 2 (див. рис. 80) при температурі t7 склад рідкої фази визначиться крапкою м, а аустеніту — крапкою в. Після затвердіння (нижче лінії солідус JE) сплави одержують однофазну структуру — аустеніт.
Первинні кристалі аустеніту [так само, як і а (б)фериту] мають вигляд дендритів, величина і будівля яких визначаються перегрівом металу вище ліній ліквідус, його складом і умовами охолодження в процесі кристалізації.
При кристалізації доевтектичних сплавів (2,14 - 4,3 % С) з рідкої фази при переохолодженні її нижче лінії ліквідус ВР спочатку виділяються, кристалі аустеніту. Склад рідкої фази в інтервалі температур кристалізації визначається лінією ВР, а аустеніту — лінією JE.
Рис.4. Діаграма стану Fe-Fe3C і криві охолодження доевтектоїдної 1, заевтектоїдної сталі 2 і доевтектоїдного чавуни
Так, сплав 3 (рис. 4) при температурі t12 буде складатися з рідкої фази складу, що відповідає точці m, і аустеніту складу точки п. При 1147 °С аустеніт досягає граничній концентрації, що відповідає точці Е (2,14 % С), а що залишилася рідиною - евтектичного складу точки С (4,3% С).
При температурі евтектики (лінія ECF) існує нонваріантне С=0 рівноваги-аустеніту складу Е (АЕ), цементиту (Fe3C) і рідка фази склади С (Жc). У результаті кристалізації рідкого сплаву складу С утвориться евтектика — ледебурит, що складається в момент утворення з аустеніту складу Е и цементиту:
Жс→АЕ + Fe3C
На кривій охолодження при кристалізації евтектики (ледебуриту) відзначається площадка. Доевтектичні сплави (рис. 3) після затвердіння мають структуру аустеніт+ледебурит (A+Fe3C). Евтектичний сплав (4,3 % С) затвердне при постійній температурі з утворенням тільки евтектики — ледебуриту (рис. 4).
Ледебурит має стільникова або пластинчаста будова. При повільному охолодженні утвориться стільниковий ледебурит, що представляє собою пластини цементиту, що проросли розгалуженими кристалами аустеніту. Пластинчастий ледебурит складається з тонких пластин цементиту, розділених аустенітом, і утвориться при швидкому охолодженні. Стільникова і пластинчаста будівля нерідка сполучиться в межах однієї евтектичний колонії.
Заевтектичні чавуни (4,3 - 6,67 % С) починають тверднути зі зниженням температури трохи нижче лінії ліквідус ВР, коли в рідкій фазі зароджуються і ростуть кристалі цементиту. Концентрація вуглецю в рідкому сплаві зі зниженням температури зменшується по лінії ліквідус. При 1147 °С рідина досягає евтектичної концентрації 4,3 % С (крапка С) і твердне з утворенням ледебуриту. Після затвердіння евтектичні чавуни складаються з первинного цементиту і ледебуриту.
Сплави, що містять до 2,14 % С, називають сталлю, а більш 2,14% С - чавуном. Прийняте розмежування між сталлю і чавуном збігається з граничною розчинністю вуглецю в аустеніті. Сталі після затвердіння не містять тендітної структурної складової - ледебуриту і при високій температурі мають тільки аустенітну структуру, що володіє гарною пластичністю. Тому сталі легко деформуються при нормальних і підвищених температурах, тобто є на відміну від чавуну ковкими сплавами.
У порівнянні зі сталлю чавуни мають значно кращі ливарні властивості, зокрема більш низькими температурами плавлення, мають меншу усадку. Це порозумівається присутністю в структурі чавунів легкоплавкої евтектики (ледебуриту).
Фазові і структурні зміни в сплавах Fe - Fe3C після затвердіння зв'язані з поліморфізмом заліза і зміною розчинності вуглецю в аустеніті і фериті зі зниженням температури. .Перетворення, що протікають у твердому стані, описуються наступними лініями (рис. 4, 5). Лінія NH - верхня границя області співіснування двох фаз: α(δ)фериту й аустеніту. При охолодженні ця лінія відповідає температурам початку поліморфного перетворення α(δ)фериту в аустеніт. Лінія NJ - нижня границя області співіснування α(δ)фериту й аустеніту, при охолодженні відповідає температурам закінчення перетворення α(δ)фериту в аустеніт. Верхня границя області співіснування фериту (у парамагнітному стані) і аустеніту відповідає лінії GO, тобто температурам початку γ↔α-перетворення з утворенням парамагнітного фериту. Лінія OS - верхня границя області співіснування фериту (у феромагнітному стані) і аустеніту; при охолодженні ця лінія відповідає температурам γ↔α-перетворення з утворенням феромагнітного фериту.
Температури, що відповідають лінії GOS вумовах рівноваги, прийнято позначати Аr3, Ас3. У сталях утримуючих до 0,8 % С, поліморфне γ↔α-перетворення протікає в інтервалі температур і супроводжується перерозподілом вуглецю між феритом і аустенітом.
Лінія граничної розчинності вуглецю в аустеніті SE при охолодженні відповідає температурам початку виділення з аустеніту вторинного цементиту, а при нагріванні - кінцеві розчинення вторинного цементиту в аустеніті. Прийнято критичні точки, що відповідають лінії SE, позначати Aст. Лінія GP при охолодженні відповідає температурам закінчення перетворення аустеніту у ферит, а при нагріванні - початкові перетворення фериту в аустеніт.
Температура точки Кюрі - лінія МО; при охолодженні парамагнітний ферит перетворюється у феромагнітний, а при нагріванні - навпаки. Температуру, що відповідає лінії МО, позначають A2. Лінія евтектоїдного перетворення PSK при охолодженні відповідає розпадові аустеніту (0,8 % С) з утворенням евтектоїда - феритоцементитної структури, що одержала назву перліт:
A s →ФР+ Fe3C
Критичні температурні точки, що відповідають лінії PSK, позначаються Аr1 Ас1. Зміна розчинності вуглецю у фериті в залежності від температури відбувається по лінії PQ. При охолодженні в умовах рівноваги ця лінія відповідає температурам початку виділення третинного цементиту, а при нагріванні - повному його розчиненню.
Сплави, що містять <0,02 % С (точка Р), називають технічним залізом. Ці сплави випробують при охолодженні і при нагріванні поліморфне перетворення γ↔α між лініями GP і GOS. У цьому інтервалі температур по границях зерен аустеніту утворяться зародки фериту, що ростуть у виді зерен, поглинаючи зерна аустеніту. Нижче лінії GP існує тільки ферит. При подальшому повільному охолодженні по досягненні температур, що відповідають лінії PQ, з фериту виділяється цементит (третинний). Виділяючи по границях зерен, третинний цементит різко знижує пластичність фериту. Сталі, що містять від 0,02 до 0,8 % С, називають доевтектоїдними. Як указувалося вище, ці сталі після закінчення кристалізації складаються з аустеніту, що не перетерплює змін при охолодженні аж до температур, що відповідають лінії GOS (Аз). При більш низьких температурах (нижче GOS) по границях зерен аустеніту утворяться зародки фериту, що ростуть, перетворюючи в зерна. Кількість аустеніту зменшується, а зміст у ньому вуглецю зростає, тому що ферит майже не містить вуглецю (<0,02 % С).
При зниженні температури склад аустеніту міняється по лінії GOS, а фериту - по GP. Так, при температурі t5у сплаві 1 у рівновазі буде ферит складу крапки а й аустеніт складу крапки в (див. рис. 80). Чим вище концентрація вуглецю в сталі, тим менше утвориться фериту. По досягненні 727 °С (А1) вміст вуглецю в аустеніті досягає 0,8% (крапка S). Аустеніт, що має евтектоїдну концентрацію, розпадається з одночасним виділенням з нього фериту і цементиту, що утворять перліт.
Евтектоїдне перетворення аустеніту протікає при постійній температурі 727 °С (див. рис. 4, площадка на кривій охолодження). При наявності трьох фаз (при цій температурі): ферит (0,020% С), цементит (6,67%С) і аустеніт (0,8% С) система нонваріантна (С=2+1-3 = 0).
Після остаточного охолодження доевтектоїдні сталі мають структуру ферит + перліт (рис. 5,а і б). Чим більше в сталі вуглецю, тим менше в структурі надлишкового фериту і більше перліту. При змісті в сталі 0,6 - 0,7 % С ферит виділяється у виді облямівки навколо зерен перліту (феритна сітка).
Сталь, що містить 0,8 % С, називають евтектоїдною. У цій сталі по досягненні температури 727 °С (точка S) весь аустеніт перетворюється в перліт.
Перліт частіше має пластинчаста будівля (рис. 6,в и г), тобто складається з пластинок, що чергуються, фериту і цементиту. Товщина цих пластинок знаходиться в співвідношенні 7,3:1. Кількість фериту і цементиту в перліті визначається зі співвідношення SK/PS. Після спеціальної обробки перліт може мати зерниста будівля. У цьому випадку цементит утворить сфероїди (рис. 6, е). Сталі, що містять вуглець від 0,8 до 2,14 %, називають заевтектоїдними. Вище лінії SE у цих сплавах буде тільки аустеніт.
При температурах, що відповідає лінії SE, аустеніт виявляється насиченим вуглецем і при зниженні температури з нього виділяється вторинний цементит. Тому при температурі нижче лінії SE сплави стають двофазними (аустеніт + вторинний цементит). В міру виділення цементиту концентрація вуглецю в аустеніті зменшується відповідно до лінії SE. Так, при температурі t10 склад аустеніту в сплаві 2 визначається крапкою д (рис. 80).
При зниженні температури до А1 (727 °С) аустеніт, що містить 0,8% С (точка S), перетворюється в перліт. Після охолодження заевтектоїдні сталі складаються з перліту і вторинного цементиту, що виділяється у виді сітки по границях колишнього зерна аустеніту, або у виді голок (пластин), закономірно орієнтованих щодо аустеніту. Кількість надлишкового (вторинного) цементиту зростає зі збільшенням змісту в сталі вуглецю. Виділення вторинного цементиту у виді сітки або голок робить сталь тендітної. Тому спеціальною термічною обробкою і деформацією йому додають зернисту форму (рис. 6, ж и е).
У доевтектичних чавунах (наприклад, у сплаві 3, рис. 5) при зниженні температури внаслідок зменшення розчинності вуглецю в аустеніті (лінія SE) відбувається частковий розпад аустеніту - як первинних його кристалів, що виділилися з рідини, так і аустеніту, що входить у ледебурит. Цей розпад полягає.
Заевтектичний чавун (рис. 4) містить вуглецю більше, ніж 4,3 %, і після затвердіння складається з цементиту і ледебуриту (аустеніт –Fe3C).
При зниженні температури евтектичний аустеніт збіднюється вуглецем унаслідок виділення надлишкового цементиту і при температурі 727 °С розпадається з утворенням перліту. Після охолодження заевтектичні чавуни складаються з первинного цементиту, що має форму пластин, і ледебуриту (перліт + цементит). З підвищенням змісту вуглецю кількість цементиту зростає.
Рис. 5. Мікроструктура сталі: а і б - доевтектоїдна з 0,4 % С (а- х550, б - х 5000);б и г - евтектоїдна з 0,8% С (б - х500, г- х5000); д, ж, е - заевтектоїдна з 1,2% С (д - х500; ж- х250, с-х5000)
Сплави заліза з вуглецем після закінчення кристалізації мають зазначену вище різну структуру. Однак фазовий склад усіх сплавів однаковий: при температурах<727 °С вони складаються з фериту і цементиту. Відносна кількість фазових і структурних складаних у сплавах Із різним змістом вуглецю можна визначити по діаграмі приведеної на рис. 8. Так, наприклад, як видно з рис. 8, сталь з 1,5 % вуглецю після охолодження буде містити 80 % фериту (Ф) і 20% цементиту (Fe3C). Структурний склад сталі буде складатися з ~85 % перліту (П) і ~15% Fe3C.
Рис. 6. Мікроструктура чавуну, х500: а-доевтектичний, б – евтектичний,
в- заевтектичний
Рис. 7 Діаграма стану Fe-Fe3C вміст вуглецю Fe3C (а) і залежність кількості фазових (б) і структурних (в) складових від вмісту вуглецю