Короткі теоретичні відомості. Діаграма залізо-цементит (рис

Діаграма залізо-цементит (рис. 1) дає уявлення про будо­ву вуглецевих сплавів – сталей і чавунів, та є основою для з'ясування процесів, що проходять при нагріванні і охолодженні залізовуглецевих сплавів (сталей і чавунів). У залізовуглецевих сплавах при нагріванні або охолодженні утворюються такі структурні складові: ферит, аустеніт, цементит, перліт та ледебурит. У таблиці 2 подано характеристику структурних складових залізовуглецевих сплавів.

Чисте електролітичне залізо – це м'який пластичний метал світ­лого кольору зі щільністю 7, 85 г/см³, температурою плавлення 1539 °С. Воно має границю міцності σ _в = 250...280 МПа, відносне видовження δ = 50 %, відносне звуження ψ = 80 %, твердість 80 НВ і ударну в'язкість а _н = 3000 кДж/м². Залізо зберігає магнетизм до температури 768 °С і є феромагнітним. Під час нагрівання і охоло­дження в залізі відбуваються одне магнітне перетворення за темпе­ратури 768 °С і два поліморфних за 911 та 1392 °С.

Альфа-залізо (Fe_α ) існує в двох інтервалах температур: нижче за 911 °С та 1392...1539 °С. В інтервалі температур 911...1392 °С існує γ -залізо (Fe_γ ).

Кристалічні ґратки заліза здатні розчиняти різні елементи, утворюючи з металами розчини заміщення, а з неметалами (С, N, Н) – розчини втілення. Розчинність вуглецю в залізі значно зале­жить від типу кристалічних ґраток заліза і його температури. За кім­натної температури в Fe_α розчиняється 0, 006 % С, а за 727 °С – 0, 025 % С. Твердий розчин вуглецю в Fe_α називають феритом (ліва частина діаграми від 0 до 911 °С (QPG)).

Цементит – хімічна сполука вуглецю з залізом (Fe₃C – карбід заліза), що утворюється при відповідному стехіометричному спів­відношенні атомів заліза і вуглецю. Це найтвердіша (800 НВ) і дуже крихка фаза в сплавах залізо – вуглець, яка містить 6, 67 %С. Щіль­ність цементиту 7, 82 г/см³, температура плавлення 1250 °С. Цементит феромаг­нітний до температури 217 °С і здатний утворювати тверді розчини заміщення. Атоми вуглецю в кристаліч­ній орторомбічній ґратці це­ментиту (рис. 0) можуть заміщатися атомами азоту, кисню, а атоми заліза – ато­мами мангану, хрому, вольф­раму та іншими металами. Цементит – нестійка хі­мічна сполука, яка під час нагрівання розпадається з утворенням вуглецю у ви­гляді графіту.

При аналізі розглядаються лінії і точки діаграми (табл. 1 і 3), застосовуються правила фаз та відрізків.

Для визначення ступеня вільності використовують закон Гібса за рівнянням: С=К-Ф+ п, де К – кількість компонентів; Ф – кількість фаз; п =1 – кількість зовнішніх чинників (температура).

Рис. 0. Кристаліч­на орторомбічна ґратка це­ментиту

Вище лінії АВСD всі сплави знаходяться в рідкому стані і число ступенів волі С = К - Ф +1=2-1+1=2 (див. рис. 1). Це означає, що сплави можна нагрівати і охолоджувати, змінювати їх концентрацію і вони залишаються рідкими в стані рівноваги.

Між лініями АBС та АHJЕС і лініями СD та СF сплави двофазні, складаються із твердої фази і рідини, при цьому число ступенів волі дорівнює С =2-2+1=1 (табл. 1). Із вищевикладеного виходить, що система в даних областях має один ступінь волі і для зберігання її рівноваги можна змінювати лише один фактор рівноваги - температуру або концентрацію. Дві фази і один ступінь волі є також у всіх інших областях діаграми окрім аустенітної, де між лініями NHJЕС і GSЕ система однофазна і має два ступеня волі С =2-1+1=2.

На горизонтальних лініях ЕСF і РCК система трифазна і число ступенів волі С =2-3+1=0 (див. табл. 1). На лінії ЕСF за охолодження утворюється ледебурит, а налінії РSК – перліт. Нульовий ступінь волі на цих лініях обумовлює суворо постійні температури при утворенні ледебуриту (1147 °С) і перліту (727 °С). Із таблиці 3 видно, що дві фази і один ступінь волі мають усі криві лінії і точки А, D, G, Q; три фази і нульовий ступінь волі – точки Р, S, Е, С; в точках К і F фазових перетворень немає.

Правилом відрізків або правилом важеля користуються для визначення відсоткового і вагового складу рідкої і твердої фаз або двох різних твердих фаз (кількість структурних складових та їх концентрації).

Для цього, наприклад, із точки b (рис. 2) проводять горизонталь до ліній GР і GS. Проекція точки а на вісь концентрацій показує вміст вуглецю в фериті, а проекція точки с – вміст вуглецю в аустеніті за певної температури.

Для визначення кількісного відношення аустеніту і фериту необхідно скласти обернено пропорційне відношення відрізків: ,

де Q_фер – кількість фериту; Q_ауст – кількість аустеніту для температури, що відповідає точці b.

Нехай у точці b маса всього сплаву становить 100 %, тоді Q_фер /(100- Q_фер)= . Підставляючи значення відрізків bс і аb, що визначені з діаграми стану, можна вирахувати кількість фериту, а потім і кількість аустеніту.

Візьмемо для прикладу сплав із вмістом вуглецю 2, 7 % та визначимо відсотковий і ваговий склад рідкої і твердої (аустеніт) фаз, кількість структурних складових та їх концентрації за температури = 1250 °С (рис. 1 а).

Для цього через точку b (див. рис. 1, а) проводимо горизонта­льну лінію до перетину її з лініями ABC і JE, що обмежують зону діаграми Fe – Fe₃C, отримавши на них точки а і с. Проекція точки b на вісь концентрації покаже вміст вуглецю в сплаві К₂, про­екція точки а – вміст вуглецю в аустеніті, а проекція точки с – у рідкій фазі (L) за заданої температури. При зміні температури сплаву К₂, зміниться концентрація вуглецю у відповідних фазах (аустеніті і рідкій фазі).

Отже, отримаємо а = 1, 4 %С, b = 2, 7 %С, с = 3, 6 %С.

Щоб визначити кількісне співвідношення аустеніту і рідкої фази (кількості фаз) у точці b, потрібно взяти співвідношення відрізків ab і bc зворотно пропорційно кількостям цих фаз для сплаву К₂: ;
кількість аустеніту Q_Ауст за рівнянням: ;

а кількість рідкої фази Q_Р за рівнянням: .

Отже

,

.

Знайдемо концентрацію кожної фази: аустеніт складається з 1, 4 %С та 98, 6 % Fe; рідина складається 3, 7 %С та 96, 3 % Fe.

Користуючись правилом фаз (законом Гіббса), побудуємо криву охолодження для сплаву К₁ і криву нагрівання для сплаву К₂, ви­ходячи з діаграми стану Fe–Fe₃C (див. рис. 1, а). Наприклад, у процесі охолодження сплаву К₁ діаграми стану Fe–Fe₃C у точці 1 на лінії ABC (див. рис. 1) із рідкої фази L виділяються кристали аустеніту, що фіксуємо, зносячи точку 1 на систему координат температура – час (див. рис. 1, б).

Рис. 1. Діаграма стану залізо-цементит (а); крива охолодження сплаву К1 (б); крива нагрівання сплаву К2 (в)

Так само переносимо точки 2, 3 і 4, які відповідають фазовим перетворенням, що відбуваються в сплаві К₁ у процесі його кристалізації.

Рис. 2. Частина діаграми залізо-цементит. Вторинна кристалізація сталей.

Рис. 3. Діаграма залізо-цементит. Вторинне перетворення у високо вуглецевих

сплавах (чавунах).

Згідно з правилом фаз, у точці 4 процес кристалізації відбувається ізотер­мічно (за конкретної температури і впродовж певного часу), що фік­сується горизонтальною лінією 4 – 4'. Криву нагрівання сплаву К₂, яку побудовано за правилом фаз, наведено на рис. 1, в.

За діаграмою залізо-цементит можна побудувати криві охолодження. Для цього точки перетину вертикалі з лініями діаграми (рис. 1 б, в, 2 і 3), яка позначає сплав визначеної концентрації, переносять на систему координат температура-час і будують криву нагрівання або охолодження цього сплаву. Точки перетину з кривими лініями діаграми відповідають перегинам на кривих охолодження і нагрівання, а точки перетину з горизонтальними лініями відповідають площинкам на тих же кривих.

Таблиця 1.

Фазові перетворення на лініях за діаграмою залізо-цементит

Таблиця 2.

Характеристика структурних складових залізовуглецевих сплавів (сталей і чавунів).

Таблиця 3.

Фазові перетворення в точках за діаграмою залізо-цементит.