Загальні відомості. Найважливішими матеріалами в сучасному машинобудуванні є залізовуглецеві сплави: технічне залізо, сталі і чавуни

Найважливішими матеріалами в сучасному машинобудуванні є залізовуглецеві сплави: технічне залізо, сталі і чавуни. Основа для вивчення процесів формування їхньої структури - діаграма стану системи Fе - С.

Структура сплаву визначає його властивості. Важливо знати, які фази і структури формуються в сплавах у залежності від їхнього складу і температури. Необхідно уміти керувати процесом структуроутворення для забезпечення експлуатаційних властивостей сплавів.

Компонентами залізовуглецевих сплавів є залізо і вуглець, що може знаходитися в сплавах у хімічно зв'язаному стані у виді цементиту - Fе₃С (Ц) чи у вільному стані - у виді графіту (Г). У залежності від цього структуроутворення залізовуглецевих сплавів при їхньому охолодженні з рідкого стану розглядається по діаграмі метастабільної рівноваги Fе - Fе₃С чи по діаграмі стабільної рівноваги Fе - С.

Залізо плавиться при 1539 °С, має температурний поліморфізм, тобто в залежності від температури має різну кристалічну будову, його щільність 7,86 ·10³ кг/м³.

При кристалізації (1539 °С) утвориться δ-Fе, кристалічна решітка якого описується об'ємноцентрованимим кубічним (ОЦК) осередком (рис. 6.1а), довжина ребра куба (параметр осередку) а = 0,293 нм (при 1425 °С). Залізо існує в інтервалі температур 1539...1392°С. При 1392 °С замість решітки δ-Fе (ОЦК) шляхом перегрупування атомів утвориться γ-Fе з гранецентрованою кубічною (ГЦК) решіткою (рис.6.1б), що характеризується меншою енергією. Таке залізо має осередок з ребром куба довжиною а = 0,365 нм (при 950°С); щільність - (8,0...8,1)·10³ кг/м³. Воно стійко в температурному інтервалі 1392...910 °С. При 910 °С відбувається поліморфне перетворення, γ-Fе переходить у α-Fе, що має ОЦК решітку з параметром осередку а =0,286 нм (при 20 °С), стійке нижче 910 °С аж до температури абсолютного нуля.

а б

а - об'ємноцентрована кубічна (ОЦК) решітка; б - гранецентрована кубічна (ГЦК) решітка

Рисунок 3.1 – Кристалічна структура заліза

Залізо α у залежності від температури може знаходитися в різних магнітних станах. При температурі вище 768 °С (768...910 °С) α-Fе, так само як і δ-Fе і γ-Fе,- парамагнетик, нижче 768 °С - феромагнетик. Температура 768 °С (точка Кюрі) є температурою переходу α-Fе з парамагнітного стану у феромагнітний при охолодженні заліза і навпаки - при його нагріванні. Залізо α з парамагнітними властивостями іноді називають β-Fе.

Таким чином, при 1392°С в рівновазі знаходяться / 1392°С \

d-Fе та g-Fе ; температура рівноваги g-Fе и α-Fе — 910 °С Температури рівноважного стану двох чи декількох фаз називаються критичними. Їх позначають буквою А с відповідним індексом (порядковий номер температури зростає з її збільшенням). Для заліза: 768 °С - A₂; 910 °С - A₃; 1392 °С - A₄.

Залізо зі вмістом домішок 0,01...0,1 % має наступні властивості: твердість по Бринелю 70...80 НВ; міцність на розрив s_В=200...250 МПа; відносне подовження d = 50...55 %; ударна в'язкість КСU+²⁰ = 220...250 кДж/м².

Цементит містить 6,67 % вуглецю, кристалічна структура його описується ромбічним елементарним осередком, утвореним атомами вуглецю (рис. 6.2). Навколо кожного атома вуглецю розташовуються на відстані 0,18...0,20 нм по шести атомів заліза таким чином, що на один осередок приходиться 4 атоми вуглецю і 12 атомів заліза. Тому осередок складається з трьох формульних одиниць Fе₃С. (На рис. 6.2 для зручності читання решітки показано розташування атомів заліза тільки навколо п'яти атомів вуглецю.) Зв'язок між атомами в цементиті складний: металева (Fе - Fе), доповнена ковалентної (Fе - С).

Рисунок 3.2 - Елементарний осередок кристалічної структури цементиту

Цементит твердий (~800 НВ) й крихкий (d~0), міцність його на розтягання дуже мала ((s_в~40 МПа). Температура плавлення дорівнює 1250 °С. Цементит - фаза метастабільна (тимчасово стійка), слабко феромагнітна, точка Кюрі (А₀)-210 °С. Час стійкості цементиту зменшується з підвищенням температури: при низьких температурах він існує нескінченно довго, при температурах, що перевищують 950 °С, за кілька годин розпадається на залізо й графіт. На цьому явищі заснований відпал білого чавуна на ковкий (див. роботу 8).

Графіт - одна з двох (алмаз, графіт) кристалічних модифікацій вуглецю. Структура графіту шарувата (рис. 6.3). У шарах атоми вуглецю розташовані по вершинах правильних шестикутників. Кожен атом оточений трьома сусідніми, що знаходяться на відстані, рівному 0,141 нм. Шари через один зрушені на 0,141 нм (парні щодо непарних). Відстань між ними - 0,335 нм. Зв'язок між атомами в шарах міцний, ковалентного типу, між шарами - слабкий молекулярний.

Рисунок 3.3 – Кристалічна структура графіту

При колективізації валентних електронів у шарі графіту він здобуває частково фізичні властивості металів: високі тепло- й електропровідність, металевий блиск й непрозорість. Графіт має дуже низьку міцність, погано проводить теплоту й електрику в напрямках, перпендикулярних до шарів. Під дією порівняно невеликих зовнішніх зусиль він легко розшаровується.

Температура плавлення графіту 3850 °С.

Своєрідна будова графіту додає йому цілий ряд коштовних властивостей: жароміцність, високі тепло- й електропровідність, малий коефіцієнт тертя, схильність до розшаровування й ін. Цими властивостями пояснюється застосування графіту при виготовленні сопів реактивних двигунів і деталей ракет, електротехнічних й антифрикційних виробів, мастильних речовин, фарб.

У залізовуглецевих сплавах графіт, на відміну від цементиту, є стабільною фазою. Сплавляючи залізо з вуглецем і варіюючи вміст цих елементів, одержують сплави з різними структурою і властивостями.

У випадку, коли високовуглецевою фазою є цементит, фазовий стан сплавів описується діаграмою метастабільної рівноваги системи Fе - Fе₃С. Якщо ж у силу визначених умов замість цементиту кристалізується графіт, розглядається діаграма стабільної рівноваги системи Fе - С. Нерідко структуроутворення сплавів вивчається по обох діаграмах, що вичерчуються в одній координатній системі (рис. 3.4 а) Fе — С - пунктирними лініями, Fе — Fе_зС - суцільними).

Рисунок 3.4 – Діаграма метастабільної (суцільна лінія) та стабільної (пунктир) рівноваги залізовуглецевих сплавів

При підвищених швидкостях охолодження сплавів у результаті прискореного процесу кристалізації звичайно утвориться цементит. Утворення графіту спостерігається тільки у високовуглецевих сплавах у випадку їхнього повільного охолодження чи при визначених ізотермічних витримках. У сплавах зі зниженим вмістом вуглецю утворення графіту малоймовірно.

На діаграмі метастабільної рівноваги крайні ординати відповідають чистим компонентам: GNА - залозу, КFD - цементиту. Ординати між ними - подвійним сплавам, загальний вміст заліза й вуглецю в який дорівнює 100 %. Для заліза на лінії GNА точка A₁ відповідає температурі

плавлення (1539 °С); N перетворенню ; .

Для цементиту: D - температура плавлення (1250 °С).

У системі Fе - Fе₃С можливі рідка (Р) фаза, що представляє собою рідкий розчин заліза й вуглецю, і чотири тверді - δ-ферит, А-аустеніт, α-ферит і Fе₃С. Ферит (Ф, δ- чи α-розчин) - твердий розчин упровадження вуглецю в α-Fe чи α-Fe з ОЦК решіткою. Аустеніт (А, γ-розчин) - твердий розчин упровадження вуглецю в γ- Fe з ГЦК решіткою. Ліквідус - АВС; солідус - АНJЕСF.

Затвердіння сплавів, що містять до 0,5 % C, починається з утворення δ-ферита по реакції Р_(AB) → δ-Ф_(AH) (див. рис. 3.4). Характер подальшої кристалізації сплавів залежить від вмісту в них вуглецю. Сплави, що містять до 0,1 % С, цілком затвердівають в інтервалі температур, що відповідають лініям АВ і АН з утворенням однофазної структури δ-ферита. Цій структурі відповідає область діаграми, що лежить лівіше лінії АН.

Сплави з 0,1...0,5 % С кристалізуються трохи складніше. Після виділення з рідини визначеної кількості δ-ферита при 1499 °С (ізотерма НJВ) вони випробують перитектичне перетворення:

У перитектичному сплаві, що містить 0,16 % С (J), обидві вихідні фази (Р+δ), взаємодіючи між собою при перитектичному перетворенні, без залишку витрачаються на утворення γ-твердого розчину. Після цього сплав здобуває однофазну структуру - аустеніт. У доперитектичних сплавах, що містять від 0,1 (Н) до 0,16 % С (I), після розглянутої реакції залишається в надлишку визначена частка δ-ферита, що при подальшому охолодженні сплавів (у результаті перебудови решітки ОЦК у ГЦК) в інтервалі температур, що відповідають лініям НN і IN, перетворюється в аустеніт: δ_(HN) → δ_(ІN) (Ф→А).

Заперитектичні сплави остаточно затвердівають в інтервалі температур ліквідус (ВС) - солідус (IЕ), при яких надлишкова рідина, що залишилася від перитектичного перетворення, кристалізується в аустеніт: Р_(вс)→А_(JЕ) Цією реакцією описується також процес затвердіння сплавів з вмістом вуглецю 0,5...2,14 %.

Таким чином, усі сплави, що містять менш 2,14 % С, після первинної кристалізації здобувають однофазну структуру - аустеніт, що зберігається при охолодженні до температур, що відповідають лінії GSЕ. При подальшому охолодженні відбувається перекристалізація аустеніту, у результаті чого формується остаточна структура сплавів.

У групі сплавів, що містять від 2,14 (Е) до 6,67 % С (F), мається евтектичний сплав з 4,3 % С (С), що при 1147°С (ізотерма ЕСF), будучи гранично насиченим одночасно вуглецем і залізом, кристалізується по евтектичній реакції:

Евтектична суміш двох фаз (А + Ц), що утвориться, називається ледебуритом (при даному фазовому складі - ледебурит аустенітний).

Сплави доевтектичні 2,14 (Е)...4,3 % С (Е, С) і заевтектичні 4,3...6,67 % С (С, F) кристалізуються в два етапи. На першому в інтервалі температур ліквідус (ВСD) - солідус (ЕСF) з рідкої фази виділяються первинні кристали: у доевтектичних - А_І, у заевтектичних - Ц_І. На другому етапі рідина, що залишилася, затвердіває з утворенням евтектики ледебурит аустенітний. У результаті після первинної кристалізації доевтектичні сплави мають структуру А₁ + Л (А + Ц), заевтектичні - Ц_І +Л.

Структурні перетворення в сплавах, що знаходяться у твердому стані, викликані наступними причинами: зміною розчинності вуглецю в залізі в залежності від температури сплаву, поліморфізмом заліза і впливом вмісту розчиненого вуглецю на температуру поліморфних перетворень.

Лінія АН (див. рис. 3.4) показує межі розчинності вуглецю у δ-Fе, лінія GBQ - у α-Fе; 0,02 % С при 727 °С (Р), 0,01 % С при 600 °С (Q), 10^-7 % С при 20 °С. Ферит лівіше лінії GPQ є ненасиченим твердим розчином, на GPQ він гранично насичений. При охолодженні сплавів, розташованих на діаграмі правіше РQ, нижче 727 °С з фериту, унаслідок його пересичення, виділяється вуглець, що приводить до формування цементиту третинного (Ц_ІІІ) у виді сітки по границях зерен фериту. Якщо ж у структурі сплавів (0,02...6,67 % С) уже є цементит, то Ц_ІІІ нашаровується на нього і металографічним методом не виявляється.

Лінія ЕS показує межі насичення аустеніту вуглецем у залежності від температури сплаву. Розчинність вуглецю максимальна при 1147°С (Е)- 2,14 %. Зі зниженням температури вона зменшується до 0,8% при 727 °С (S). У результаті аустеніт у сплавах правіше лінії ЕS виявляється пересиченим твердим розчином і з нього виділяється вуглець, що йде на утворення цементиту вторинного (Ц_ІІ). У сталях Ц_ІІ формується звичайно у виді сітки по границях зерен аустеніту, у чавунах найчастіше наростає на цементиті ледебуриту.

Вуглець, розчиняючись в ОЦК решітці заліза δ і α, спотворює їх і тим самим знижує температурну стійкість цих структур. Тому, чим більше вуглецю розчинене в δ-Fе, тим при більш високих температурах решітка δ перебудовуються в γ-решітку; чим більше вуглецю в сплаві, тим при більш низьких температурах аустеніт перетворюється в α-ферит. Таким чином, розчинення вуглецю в залізі сприяє підвищенню температури A₄ (лінія N1) і зниженню температури А₃ (лінія GS), розширенню температурної області існування аустеніту і звуженню області фериту.

У сплавах, що охолоджуються і містять менш 0,8 % С, перетворення аустеніту у ферит починається не при 910 °С (G - А₃), як у безвуглецевому залізі, а при температурах, що відповідає лінії GS. Це перетворення через різну розчинність вуглецю у фериті (GР) і аустеніті (ES) супроводжується дифузійним перерозподілом вуглецю між ними. Тому перебудова решітки протікає в інтервалі температур GS - GР. Область РGS є областю двухфазної структури, у ній ферит знаходиться в рівновазі з аустенітом.

У сплавах, що охолоджуються та розташовані між точками Р и S, у міру утворення фериту в зазначеному інтервалі температур аустеніт збагачується вуглецем (GS). При 727 °С вміст вуглецю в аустеніті на заключному етапі досягає 0,8 % (S), решітка γ-Fе (ГЦК) втрачає стійкість і перебудовуються в решітку α- Fе (ОЦК), у якому при 727 °С розчиняється тільки 0,02 % С (Р).

Поліморфне перетворення с супроводжується виділенням вуглецю із розчину та утворенням цементиту:

Це трифазне перетворення, що обумовлене поліморфізмом заліза і протікає при 727 °С, називається евтектоїдним. На відміну від трифазного евтектичного перетворення при евтектоїдному вихідною фазою є не рідкий, а твердий розчин (у даному випадку аустеніт). Суміш фаз, що виділяється з твердого розчину, число яких дорівнює числу компонентів системи, називається евтектоїдом. Структурна складова залізовуглецевих сплавів, що утворюється в результаті розпаду аустеніту і, що складається з пластинок двох фаз - фериту і цементиту, які чергуються, називається перлітом (П). Температура утворення перліту відповідає критичній температурі А₁.

На діаграмі метастабільної рівноваги (див. рис. 3.4) точці А₁ відповідає лінія PSK (727 °С). Евтектоїдне перетворення протікає в усіх сплавах, що містять більш 0,02 % вуглецю (Р), тобто в сталях і чавунах. Тому в чавунах ледебурит аустенітний при евтектоїд ній температурі 727 °С видозмінюється, стаючи ледебуритом перлітним, Л(А + Ц) Л(П + Ц).

Будова остаточної структури залізовуглецевих сплавів, що сформувалася, залежить від вмісту в них вуглецю. Сплави, у яких вуглецю менш 0,02 %, мають структуру Ф + Ц_ІІІ і називаються технічним залізом.

Сплави з вмістом вуглецю 0,02...2,14 %, у структурі яких неодмінно є присутнім перліт, є сталями. Сталі поділяються на доевтектоїдні (С=0,02...0,8%, структура Ф + П); евтектоїдні (С = 0,8 %, структура перліт); заевтектоїдні (С = 0,8...2,14 %, структура П + Ц_ІІ).

Сплави, що містять від 2,14 до 6,67 % С, у структурі яких є присутнім визначена частка евтектики - ледебурит, називаються білими чавунами. Вони підрозділяються на доевтектичні (С = 2,14...4,3 %, структура П+Л); евтектичні (С~4,3%, структура ледебурит); заевтектичні (С>4,3 %, структура Ц_ІІ + Л).

Цементит третинний у сталях і чавунах, а також цементит вторинний у евтектичних і заевтектичних чавунах як самостійні структурні складові при мікроструктурному аналізі звичайно не виявляються.

Варто підкреслити, що всі описані зміни структури, що відбуваються при охолодженні сплавів, оборотні, тобто вони відбуваються і при нагріванні сплавів (у зворотному порядку). Це справедливо тільки у випадку, коли охолодження і нагріви протікають з дуже малими швидкостями, а при будь-якій розглянутій температурі всі можливі перетворення цілком довершені і сплави знаходяться в стані фазової рівноваги. Тому при розгляді діаграм не враховуються переохолодження і перегріви, необхідні для завершення фазових перетворень у випадку охолоджень і нагрівів сплавів навіть з малими кінцевими швидкостями.

Про фазові перетворення, що відбуваються в сплавах, можна судити по кривих їхнього охолодження чи нагрівання. Як приклад розглянемо процес структуроутворення в охолоджуваній сталі з 0,4 % С (рис. 3.4б). Вище точки t₁ сталь знаходиться в рідкому стані і безупинно охолоджується. В інтервалі t₁ - t₂ з рідкої фази, склад якої змінюється по ліквідусі АВ, випадають кристали δ-ферита. Склад їх визначається за допомогою коноди по солідусі АН ; C = 2 - 2 + 1 = 1, t≠const. При кристалізації виділяється теплота, на ділянці кривої t₁ - t₂ охолодження сплаву сповільнюється. При температурі t₂ відбувається трифазне перитектичне перетворення; С = 2 - 3 + 1=0, t = const.

Рідина складу В взаємодіє з кристалами δ-фериту складу Н, що випали раніше. У результаті утворюється нова тверда фаза - аустеніт складу І:

. Для того щоб рідина і δ-ферит без залишку були витрачені на утворення аустеніту (перитектичне перетворення в сплаві складу І), необхідні наступні співвідношення їхніх масових часток:

Р= (H-І)/(H-B)·100=15; Ф,= (І-B)/(H-B)·100=85, чи 3 частини рідини і 17 частин δ-фериту. У розглянутій сталі (0,4 % С) при температурі t₂ знаходиться 75% рідини [(Н-2)/(Н-В) -100 = 75] і 25% δ-фериту [(2- В)/(Н - В)·100=25], чи 15 частин рідини і 5 частин δ-фериту. Неважко бачити, що після перитектичного перетворення в сталі з 0,4 % С в надлишку залишається рідка фаза:

(надлишок). Надлишкова рідина кристалізується при безупинному охолодженні в інтервалі t₂ - t₃ з утворенням аустеніту. В інтервалі t₃ - t₄ сплав, що закристалізувався і має структуру А, безупинно охолоджується. При температурах t₄ - t₅ відбувається поліморфне перетворення, ГЦК перебудовується в ОЦК решітку, тобто аустеніт, склад якого змінюється по лінії GS, перетворюється у ферит (по GР). В міру перетворення масова частка аустеніту зменшується, вміст же вуглецю в ньому збільшується. Решітка фериту, що утворюється, (ОЦК) при даних температурах енергетично більш вигідна, ніж аустеніту (ГЦК), і при перебудові решітки виділяється теплота, тому сплав на ділянці t₄ - t₅ охолоджується уповільнено.

При t₅ відбувається трифазне евтектоїдне перетворення (ізотерма t₅ на кривій охолодження) А_(S) Ф_(P) + Ц_(К), коли з аустеніту, не перетвореного у ферит, утворюється перліт (Ф + Ц). У процесі подальшого охолодження сплаву з фериту виділяється Ц_ІІІ, що нашаровується на цементиті перлітному. Структура сталі, що охолоджується, при температурах нижче t₅ - Ф + П.

Масові частки (%) фериту і перліту як структурних складових сталі з припустимою погрішністю можуть бути визначені за правилом відрізків. Наприклад, при 600 °С Ф =(0,8-0,4)/(0,8-0,01) ·100~50. Масова частка фериту як фази, що існує разом з цементитом, Ф= (6,67-0,4)/(6,67-0,01) · 100~94. Інші 6 % приходяться на частку іншої фази - цементиту.

Таким чином, структура повільно охолодженої стали, що містить 0,4 % С, складається з 50 % фериту і 50 % перліту (відповідно до фазового аналізу, 94 % Ф + 6% Ц).

Діаграма стабільної рівноваги, позначена на рис. 3.4 пунктиром, відображає можливість утворення високовуглецевої фази - графіту - на всіх етапах процесу структуроутворення в сплавах з підвищеним вмістом вуглецю. В інтервалі температур ліквідус D'С' - солідус С'F' з рідини виділяється графіт. При евтектичній температурі 1153°С (ізотерма Е'С'F') рідина складу С' затвердіває з утворенням графітної евтектики (А_E' +Г). В інтервалі температур Е'С'F' - Р'S'К' через зменшення розчинності вуглецю в аустеніті (лінія Е'F') виділяється графіт. При евтектоїдній температурі (t_P'SК'' = 738 °С) вміст вуглецю в аустеніті досягає 0,7 % (S') і аустеніт розпадається на ферит і графіт.

Таким чином, при охолодженні сплавів, що містять 2,14...6,67 % С, формується структура, що складається з фериту і графіту.