Залізовуглецеві сплави
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Залізовуглецеві сплави

Залізовуглецеві сплави, сплави заліза з вуглецем на основі заліза. Варіюючи склад і структуру, отримують Же. с. зі всілякими властивостями, що робить їх універсальними матеріалами. Розрізняють чисті Ж. с. (із слідами домішок), отримувані в невеликих кількостях для дослідницьких цілей, і технічні Ж. с. — стали (до 2%С) і чавуни (св. 2% З), світове виробництво яких вимірюється сотнями млн. т. Технічні Ж. с. містять домішки. Їх ділять на звичайних (фосфор Р, сірка S, марганець Mn, кремній Si, водень Н, азот N, кисень Про), легуючих (хром Cr, нікель Ni, молібден Мо, вольфрам W, ванадій V, титан Ti, кобальт З, мідь Cu і ін.) і модифікуючих (магній Mg, церій Ce, кальцій Ca і ін.). В більшості випадків основою, що визначає будову і властивості сталей і чавунів, є система Fe — С. Начало науковому вивченню цієї системи поклали російські металурги П. П. Аносов (1831) і Д. До. Чернов (1868). Аносов вперше застосував мікроскоп при дослідженні Ж. с., а Чернов встановив їх кристалічну природу, виявив дендритну кристалізацію і відкрив в них перетворення в твердому стані. Із зарубіжних учених, що сприяли створенню діаграми стану Fe, — Із сплавів, слід зазначити Ф. Осмонда (Франція), У. Ч. Робертса-Остена (Англія), Б. Розебома (Голландія) і П. Геренса (Німеччина).

загрузка...

  Фазові стани Ж. с. при різних складах і температурах описуються діаграмами стабільного ( мал. 1 , а) і метастабільного ( мал. 1 , би) равновесий. У стабільному поляганні в Же. с. зустрічаються рідкий розчин вуглецю в залозі (Ж), три тверді розчини вуглецю в поліморфних модифікаціях заліза (таблиця. 1)

  Таблиці. 1.— Кристалічні фази залізовуглецевих сплавів

Назва

фази

Природа фази

Структура

а-ферит

Твердий розчин впровадження вуглецю в а-fe

Об'емноцен
трірованная кубічна

Аустеніт

Твердий розчин впровадження вуглецю у g-fe

Гранецентрі
рованная кубічна

d-феріт

Твердий розчин впровадження вуглецю в d-fe

Об'емноцен
трірованная кубічна

Графить

Поліморфна модифікація вуглецю

Гексогональная шарувата

Цементіт

Карбід заліза Fe 2 C

Ромбічна

а-розчин (а-ферит), g-розчин (аустеніт) і d-розчин (d-феріт), і графить ( Г ). У метастабільному поляганні в Же. с. зустрічаються Же, a-, g-, d-розчині і карбід заліза Fe 3 C — цементіт ( Ц ). Області стійкості Ж. с. в однофазних і двофазних станах вказані на діаграмах. За деяких умов в Же. с. можуть існувати в рівновазі і три фази. При температурах НВ можливо перітектіч. рівновага d + g + Ж , E C F евтектична стабільна рівновага g + Же + Г ; при ECF — евтектична метастабільна рівновага g + Же + Ц; при P''S''K'' — евтектоїдна стабільна рівновага а + g + Г'', при PSK — евтектоїдна метастабільна рівновага а + g + Ц . Діаграми а і би викреслюю і в одній координатній системі ( мал. 1 , в). Така здвоєна діаграма наочно характеризує відносний зсув однотипних ліній рівноваги і полегшує аналіз Же. с., що містять стабільні і метастабільні фази одночасно.

  Основною причиною появи в Же. с. високовуглецевої метастабільної фази у вигляді цементіта є труднощі формування графіту. Утворення графіту в рідкому розчині Же і твердих розчинах а і g пов'язане з практично повним видаленням атомів заліза з ділянок сплаву, де зароджується і зростає графіт. Воно вимагає значних атомних пересувань. Якщо Ж. с. охолоджуються повільно або тривало витримуються при підвищених температурах атоми заліза встигають віддалитися з місць, де формується графіт, і тоді виникають стабільні стани. При прискореному охолоджуванні і недостатніх витримках видалення малорухливих атомів заліза затримується, майже всі вони залишаються на місці, і тоді в рідких і твердих розчинах зароджується і зростає цементіт. Необхідна для цього дифузія легкоподвіжних при підвищених температурах атомів вуглецю, що не вимагає великих витримок, встигає відбуватися і при прискореному охолоджуванні. Окрім основних фаз, вказаних на діаграмах, в технічних Же. с. зустрічаються невеликі кількості і ін. фаз, поява яких обумовлена наявністю домішок. Часто зустрічаються сульфіди (FES, MNS), фосфіди (Fe 3 P), оксиди заліза і домішок (FEO, MNO, Al 2 O 3 , Cr 2 O 3 , Tio 2 і ін.), нітрид (FEN, ALN) і ін. неметалічні фази. Точковими лініями на діаграмах відмічені точки Кюрі що спостерігаються в Же. с. в зв'язку з магнітними перетвореннями фериту (768°С) і цементіта (210°С).

  Будова Ж. с. визначається складом, умовами твердіння і структурними змінами в твердому стані. Залежно від вмісту вуглецю Ж. с. ділять на сталі і чавуни. Стали з концентрацією вуглецю, меншою чим евтектоїдна S'' і S (таблиця. 2), називають доевтектоїдними, а більш високовуглецеві — заевтектоїдними. Чавуни з концентрацією вуглецю, меншою чим евтектична C 1 і З , називають доевтектичними, а більш високовуглецеві — заевтектичними.

  Таблиця. 2.— Координат точок діаграм Fe — З

Точка

Температура °С

Концентрація вуглецю %

A

1539

0,000

 

B

1494

0,50

 

С''

1152

4,26

 

З

1145

4,30

 

N

1400

0,000

 

Н

1494

0,10

 

J

1494

0,16

 

G

910

0,000

 

E ''

1152

2,01

 

E

1145

2,03

 

S''

738

0,68

 

S

723

0,80

 

P ''

738

0,023

 

P

723

0,025

 

 

  Твердіння сталей, що містять до 0,5% З, починається з випадання кристалів 8-розчину зазвичай у вигляді дендриту. При концентраціях вуглецю до 0,1% кристалізація закінчується утворенням однофазної структури d-розчину. Стали з 0,1—0,5% З після виділення деякої кількості 8-розчину випробовують перитектичне перетворення Же + d —> g. У інтервалі концентрацій 0,10—0,16% З воно приводить до повного твердіння, а в інтервалі 0,16—0,50% З кристалізація завершується при охолоджуванні до температури лінії IE. В Же. с. з 0,5—4,26% З кристалізація починається з виділення g-розчину також у вигляді дендриту. Сталі повністю тверднуть в інтервалі температур, обмеженому лініями ВС і IE, набуваючи однофазної аустенітної структури. Твердіння ж чавунів, починаючись з виділення надлишкового (первинного) g- розчину, закінчується евтектичним розпадом залишку рідини по одному з трьох можливих варіантів: Же ® g + Г Же ®   g + Ц або Же ® (+ Г + Ц. В першому випадку виходять т.з. сірі чавуни, в другому — білі, в третьому — половинчасті. Залежно від умов кристалізації графіт виділяється у вигляді розгалужених ( мал. 2 , же) або кулевидних ( мал. 2 , з) включень, а цементіт — у вигляді монолітних пластин ( мал. 2 , і) або пророслих розгалуженим аустенітом (т.з. ледебурит, мал. 2 , до). У Ж. с., що містять більше 4,26—4,3% З, кристалізація переохолодженого нижче за лінію D 1 C 1 розплаву в умовах повільного охолоджування починається з утворення первинного графіту розгалуженої або кулевидної форми. В умовах прискореного охолоджування (при переохолодженнях нижче лінії DC ) утворюються пластини первинного цементіта ( мал. 2 , л). При проміжних швидкостях охолоджування виділяються і графить, і цементіт. Кристалізація заевтектичних чавунів, так само як і доевтектичних, завершується розпадом залишку рідини на суміш g- розчину з високовуглецевими фазами.

  Будова затверділих Же. с. істотно змінюється при подальшому охолоджуванні. Ці зміни обумовлені поліморфними перетвореннями заліза, зменшенням розчинності в нім вуглецю, графітизацією цементіта. Структура може змінюватися в твердому стані в результаті процесів рекристалізації твердих розчинів, сфероїдизації кристалів (з нерівноосних стають рівноосними), коалесценції (одні кристали цементіта укрупнюються за рахунок інших) високовуглецевих фаз.

  Поліморфні перетворення Ж. с. пов'язані з перебудовами гранецентрованих кубічних (ГЦК) грат g-fe і об'емноцентрірованной грати (ОЦК) a - і d-fe

  Залежно від умов охолоджування і нагрівання поліморфні перетворення твердих розчинів відбуваються різними дорогами. При невеликих переохолодженнях (і перегрівах) має місце т.з. нормальна перебудова грат залоза, що здійснюється в результаті неврегульованих індивідуальних переходів атомів від вихідної фази до тієї, що утворюється; вона супроводиться дифузійним перерозподілом вуглецю між фазами. При великих швидкостях охолоджування або нагрівання поліморфні перетворення твердих розчинів відбуваються бездіффузіонним (мартенситним) дорогою. Грати заліза перебудовуються швидким сдвіговим механізмом в результаті впорядкованих колективних зсувів атомів без дифузійного перерозподілу вуглецю між фазами. Наприклад, при гарті Ж. с. у воді g- розчин переходить в a- розчин того ж складу. Цей пересичений вуглецем a- розчин називають мартенсітом ( мал. 2 , е). Перетворення за проміжних умов можуть поєднувати в собі сдвіговую перебудову грат заліза з дифузійним перерозподілом вуглецю (бейнітне перетворення). Структури, що формуються при цьому, істотно різні. У першому випадку утворюються рівноосні з малим числом дефектів кристали твердого розчину ( мал. 2 , а). У другому і третьому — голчані і пластинчасті кристали ( мал. 2 , е) з багаточисельними двійниками і лініями ковзання. Структура Ж. с. змінюється також і у зв'язку із зміною розчинності вуглецю в a- і g-залозі при охолоджуванні і нагріванні. При охолоджуванні розчини пересичуються вуглецем і виділяються кристали високовуглецевих фаз (цементіта і графіту). При нагріванні наявні високовуглецеві фази розчиняються в a- і g-фазах.

  Зародження і зростання кристалів цементіта в пересичених розчинах відбувається зазвичай з більшою швидкістю, чим утворення графіту, і тому Ж. с. часто метастабільни. Залежно від переохолодження цементіт, що виділяється з твердого розчину, може мати вигляд рівноосних кристалів, пограничної сітки, пластин і голок ( мал. 2 , г, д). При високотемпературних витримках кристали цементіта сфероїдізіруются; може відбуватися і процес коалесценції. Якщо Ж. с., що містять цементіт, тривало витримувати при підвищених температурах, відбувається графітизація — зароджується і зростає графіт, а цементіт розчиняється, Цей процес використовується при виробництві виробів з графітізірованной стали і ковкого чавуну ( мал. 2 , м-код). Важливу роль при формуванні структури Ж. с. в твердому стані грає евтектоїдний розпад т-розчину на a - розчин і високовуглецеву фазу. При дуже малих переохолодженнях утворюються ферит і графіт ( мал. 2 м), при невеликому збільшенні переохолодження — ферит і сфероїдізірованний цементіт ( мал. 2 , г), потім ( мал. 2 , в) суміші фериту і цементіта набуває пластинчаста будова перлиту, тим більше тонка, чим більше переохолодження. При персохлажденіях, вимірюваних сотнями градусів, евтектоїдний розпад пригнічується, і g- розчин перетворюється на мартенсіт ( мал. 2 , е). Будова Ж. с. можна змінювати в широких межах. Основними методами управління структурою Ж. с. є зміни хімічного складу, умов твердіння, пластичної деформації, термічної і термомеханічної обробок. Міняючи фазовий склад, величину, форму, розподіл і дефектність кристалів, можна широко варіювати і властивості Ж. с. Наприклад, найважливіші при експлуатації Ж. с. механічні властивості змінюються в наступних межах: твердість від 60 до 800 HB ; межа міцності 2·10 4 —3,5·10 6 н/см 2 (2·10 3 —3,5·10 5 кгс/см 2 ); відносне подовження від 0 до 70%.

 

  Літ.: Д. К. Чернов і наука про метали, під ред. Н. Т. Гудцова, Л.—М., 1950; Бочвар А. А., Металознавство, 5 видавництво, М., 1956; Лівшиц Би. Р., Металографія, М., 1963; Тиркель Е., Історія розвитку діаграми залізо — вуглець, пер.(переведення) з польськ.(польський), М., 1968; Бунін До. П., Баранів А. А., Металографія, М., 1970.

  До. П. Бунін.

Мал. 2м. Типові структури залізовуглецевих сплавів. Ковкий чавун (включення графіту у феррітной основі). Збільшено в 150 разів.

Мал. 2і. Типові структури залізовуглецевих сплавів. Білий доевтектичний чавун (евтектичний монолітний цементіт і перлит). Збільшено в 500 разів.

Мал. 2б. Типові структури залізовуглецевих сплавів. Сталь з 0,65% З (сітка фериту і перлит). Збільшено в 150 разів.

Мал. 2г. Типові структури залізовуглецевих сплавів. Сталь з 0,91% З (сфероїдізірованний цементіт у фериті). Збільшено в 500 разів.

Мал. 2д. Типові структури залізовуглецевих сплавів. Сталь з 1,18% З: сітка і пластини цементіта (світлі) в перлиті. Збільшено в 150 разів.

Мал. 2е. Типові структури залізовуглецевих сплавів. Сталь з 0,85% З (пластини мартенсіту і залишковий аустеніт). Збільшено в 500 разів.

Мал. 2к. Типові структури залізовуглецевих сплавів. Білий доевтектичний чавун: дендрит первинного аустеніту (і ледебурит). Збільшено в 150 разів.

Мал. 2з.Типичные структури залізовуглецевих сплавів. Сірий чавун з кулевидним графітом на феррітной основі.

Мал. 2ж. Типові структури залізовуглецевих сплавів. Сірий чавун: розгалужені пластини графіту (темні) і зерна фериту.

Мал. 2а. Типові структури залізовуглецевих сплавів. Сталь з 0,15% З: зерна фериту (світлі) і ділянки перлиту (темні). Збільшено в 150 разів.

Мал. 1б. Діаграми стану залізовуглецевих сплавів: стан метастабільних равновесий.

Мал. 2л. Типові структури залізовуглецевих сплавів. Білий заевтектичний чавун (пластини первинного цементіта і ледебурит). Збільшено в 150 разів.

Мал. 1в. Діаграми стану залізовуглецевих сплавів: стани з подвійними лініями.

Мал. 1a. Діаграми стану залізовуглецевих сплавів: стан стабільних равновесий.

Мал. 2в. Типові структури залізовуглецевих сплавів. Сталь з 0,8% З (пластинчастий перлит). Збільшено в 500 разів.