Компоненти, фази, лінії і точки діаграми Fe-Fe3C

Діаграма Fe fe3c (залізо-цементит) має надзвичайно важливе практичне значення. Адже сплави на основі заліза і вуглецю – найпоширеніший і широко використовуваний матеріал при виготовленні деталей машин і механізмів. Це обумовлено тим, що залізна руда набагато частіше зустрічається в природі, чим руди інших металів і елементи в чистому вигляді. Обсяги виплавки чорних сплавів на основі заліза і вуглецю в десятки разів перевищують обсяги металургійного виробництва кольорових металів. Діаграма Fe fe3c для сталі та чавуну дозволяє призначити режим гартування, відпуску та відпалу деталей і заготовок. Їли робити це без урахування особливостей будови та фазового складу, то отримані властивості, скоріш за все, не будуть задовольняти конструкторським вимогам, а сам матеріал буде або дуже твердим і крихким, або дуже пластичним і схильною до зношування.

Історичний екскурс

Основоположником сучасної науки про метали є Д. К. Чернов. Він вніс величезний внесок у розвиток науки про метали. У 1868 році виходить його наукова праця, присвячена проблемам отримання виробів і сталі та металургійного виробництва. Всі фахівці і історики технічних наук одноголосно стверджують, що ця робота поклала початку систематичних і комплексних досліджень сплавів на основі заліза і вуглецю. У згаданій роботі Чернов вказує на те, що для залізовуглецевих сплавів є деякі критичні значення температур, при досягненні який властивості сталі і чавуну змінюються стрибкоподібно. Також він виявив залежність положення критичних точок від змісту вуглецю. Іншими словами, вчений зробив перші спроби побудувати діаграму Fe fe3c.


Слід віддати належне Д. К. Чернову. Він зміг, не маючи під рукою ніякого обладнання, визначати положення критичних точок. Він помітив, що при досягненні певних температур характер світіння випробовуваних зразків змінювався. Це обставина і стало основою для більш поглибленого вивчення властивостей металів і сплавів. Назви фазами і компонентами залізовуглецевих сплавів були присвоєні французьким ученим Осмондом. Він, як і Чернов, зміг визначити і зафіксувати положення критичних температурних точок. Тільки керувався він не квітами розжарювання, а показаннями пірометра, який був винайдений незадовго до того, як він почав дослідження. Узагальнити досвід своїх колег та побудувати діаграми Fe fe3c, близьку до сучасного її варіанту, вдалося німецькому вченому П. Геренсу на початку XX століття. Найбільш важливі відкриття були зроблені в останній чверті XIX століття. Зрозуміло, технології не стоять на місці, і сьогодні дослідники мають більш досконалим обладнанням. І все ж, сьогодні можна говорити лише про доповнення і уточнення інформації по железоуглеродистым сплавів. Сучасна діаграма Fe fe3c мало чим відрізняється від її перших варіантів. В даний час можуть вноситися лише доповнення. Вони хоч і важливі (іноді), але жодної принципово нової інформації не несуть.

Структурні складові діаграми Fe fe3c

На малюнку зображена діаграма залізо-вуглець. Розчинність вуглецю в цементите становить 667% по масі і 25% за кількістю атомів. Сплави, які, маючи більш ніж 7 відсотків вуглецю, в техніці не застосовуються і тому добре не вивчені. Практичне застосування в машинобудуванні й інших галузях народного господарства знайшли лише матеріали з вмістом вуглецю до 667 відсотків.
Вище ABCD сплав заліза з вуглецем знаходиться в рідкому агрегатному стані. Це так звана лінія ліквідусу. Нижче ламаної лінії AHJECF весь сплав кристалізується. Таким чином, усі сплави нижче позначеної лінії перебувають у твердому стані. Залізо, крім здатності утворювати з вуглецем хімічні сполуки (Fe 3 C в тому числі), може, в залежності від температури, мати різні кристалічні решітки (аллотропические модифікації). З урахуванням цього, на діаграмі сплавів системи Fe fe3c виділяють такі фазові складові: аустеніт, ферит, цементит і рідка фаза.

Загальні відомості про аустените

Називається аустенітом твердий розчин вуглецю в ферруме (залозі) із ГЦК-решіткою. На діаграмі Fe fe3c аустеніт обмежується фігурою NJESG. Дана фаза позначається великою літерою А, грецької літери «гамма» ?, або хімічною формулою Fe ? (C). Однак аустеніт може існувати не тільки в чистому вигляді, але і утворювати суміші з іншими структурними та фазовими складовими. Таким чином, область існування аустеніту як такого не обмежується контуром NJESG. При певних температурах аустеніт утворюється при будь-якій концентрації вуглецю (відмінної від нуля).

Загальні відомості про фериті

Феритом називають залізо з об'ємно-центрованої кубічної гратами (позначається символами Fe ? просто ?, або великою буквою «Ф»). Розчинність вуглецю в фериті незначна (не більше двох сотих відсотка). Якщо подивитися на діаграму Fe fe3c, то можна побачити, що область фериту на ній позначена контурами QPG і NHA. Однак окремі феритні зерна присутні і в інших областях діаграми. В зокрема, структурний склад доевтектоїдних (вміст вуглецю менше 08 у відсотковому співвідношенні) сталей – ферит + перліт. Варто скасувати, що ферит в чистому вигляді присутня і в перліті. Відомо, що перліт представляє собою суміш тонких феритних і цементитных пластин. Однак після певної термічної обробки ці пластини коагулюють (згортаються). Така структура значно покращує обробку різанням.

Загальні відомості про цементите

Цементит має дуже великий твердістю. На діаграмі Fe fe3c для сталі та чавуну цього хімічному з'єднанню відповідає вертикальна лінія LKD. Таким чином, в цементите міститься близько 7 % вуглецю (667 якщо бути точним). Хімічна формула - Fe 3 C. Таким чином, в цьому хімічному з'єднанні міститься 25 відсотків атомів вуглецю, а все інше – атоми заліза (на один атом феррума доводиться один атом карбону).

Загальні відомості про рідкій фазі

Температура плавлення сталей може бути різною. Чавуни ж, як видно з діаграми стану Fe fe3c, починають плавитися по досягненні температури приблизно 1150 градусів за Цельсієм (дане значення відповідає лінії ECF на діаграмі). Слід зазначити, що температур плавлення чавунів значно нижче температури плавлення сталей, що і зумовило використання високовуглецевих сплавів в якості основних ливарних матеріалів для отримання виробів складної геометричної форми.

Перебіг перитектических реакцій в залізовуглецевих сплавах

На діаграмі стану Fe fe3c відразу кидаються в очі три горизонтальні лінії: PSK, ECF, а також HJB. Це лини, відповідні так званим перитектическому перетворення. У верхньому лівому кутку знаходиться лінії HJB. Вона відповідає температурі близько 1500 градусів Цельсія. Дане перетворення зазнають лише сплави заліза з вуглецем, вміст вуглецю в яких не перевищує 05 відсотків. В результаті охолодження рідкого сплаву нижче зазначеного температурного показника (або навіть при досягненні температури 1499 градусів за Цельсієм) рідина і ферит утворюють аустеніт. При різних концентраціях вуглецю результат перетворення може бути різним: ферит + аустеніт, 100% аустеніту, а також рідина + аустеніт. Схожа за механізмом протікання нонвариантная реакція відбувається і при перетині горизонтальної лінії ECF (відповідає температурі приблизно 1150 градусів). В даному випадку аустеніт може утворювати суміш фериту і цементиту. Ця горизонталь простирається лише на чавунному ділянці діаграми стану сплавів Fe fe3c, тобто в сталях подібне перетворення відсутня. Отримана суміш носить назву ледебурит (на честь відкрив дане перетворення німецького вченого Ледебура).
І нарешті, третя горизонталь – PSK. Вона відповідає температурі 727 градусів. З аустеніту при охолодженні випадають ферит і цементит (Fe з Fe 3 C). Діаграма стану показує, що перетворення при перетині цієї лінії характерно для всіх ділянок. Однак слід пам'ятати, що це справедливо лише для сплавів заліза з вуглецем. Якщо сплав легується додатковими елементами (хром, марганець, нікель та ін) то вже не можна керуватися діаграма сплаву fe fe3c. Матеріалознавство та його сучасні методи не можуть дати точної і вичерпної відповіді на питання, чому це відбувається. Слід сказати, що перетворення відбувається як при нагріванні, так і при охолодженні сплаву. Продуктом розпаду аустеніту при охолодженні є так званий перліт (суміш цементиту і фериту). При нагріванні, очевидно, відбувається зворотна реакція – цементит з певного (досить складного) механізму розчиняється в аустените.

Особливості кристалізації сплавів сталевого ділянки діаграми

Кристалізація сплавів, які містять незначну кількість вуглецю (менше однієї десятої відсотка) завершується при досить високих температурах і відповідає лінії AH на діаграмі Fe fe3c. Крива охолодження будується за загальноприйнятим нормам і правилам: при перетині горизонтальних прямих чертится лінії під кутом 180 градусів (горизонталь). Це зумовлено так званим фізичним явищем виділення прихованої теплоти. Дане явище проявляється в тому, що при падінні охолодженні сплаву протягом певного часу температура залишається незмінною. Розгадку слід шукати в розподілі вільної енергії вільних атомів. У сплаві, який містить 01 – 016 відсотків вуглецю, кристали ?-заліза з об'ємно-центрованої кубічної кристалічної гратами починають випадати при досягненні лінії AB. Згадані кристали виникають в рідкій фазі, а центрами кристалізації є неметалеві включення (це характерно для сплавів з будь концентрацією вуглецю). При подальшому охолодженні тверда фаза змінює склад по лінії solidus, а рідка – за liquidus. При досягненні температури в півтори тисячі градусів система знаходиться в рівновазі: вміст вуглецю – 01% в твердій фазі (відповідає точці М), а в рідкій фазі – 051% (відповідає точці В). При даному значенні температури протікає раніше розглянуто перитектическое перетворення. В результаті утворюється тверда суміш кристалів аустеніту і фериту. Сплав, який містить 016% вуглецю, в результаті охолодження і перитектичного перетворення містить 100% аустеніту, без феритних включень. У тому випадку, якщо вміст вуглецю в сплаві становить 015 – 05%, то в результаті охолодження нижче 1500 градусів за Цельсієм утворюється тверда аустенітна фаза, однак у структурі залишається певна кількість рідини (воно залежить від процентної частки вуглецю). Повністю процес кристалізації завершиться лише при досягненні лінії солидус (JB) на діаграмі стану Fe fe3c. Вичертити криву охолодження в даному випадку можна керуючись загальними встановленими правилами їх побудови. Причому після повного затвердіння, сплав утворюють однорідну фазову структуру, що складається з аустеніту. Якщо вміст вуглецю в сплаві становить від 051 до 214 %, то їх кристалізація відбувається в інтервалі між обмежувальними лініями JE і BC. Після перетину лінії BC з'являються кристали аустеніту, які з пониженням температури зростають. Відповідно, у процесі охолодження концентрація вуглецю в рідині змінюється по лінії ліквідус, а в аустените – по лінії солидус.

Особливості кристалізації чавунного ділянки діаграми

Як відомо, сплав заліза з вуглецем з вмістом останнього від 214 відсотка – це чавун. Таке розмежування не є випадковим. Якщо викреслити діаграми Fe fe3c, що стає ясним, що межа між сталями і чавуном відповідає максимальної розчинності вуглецю в аустените. Тому при кристалізації і затвердінні сталей в їх структурі відсутня така складова, як ледебурит (це механічна суміш перлітною і цементитной складових, названа на честь вченого Ледебура). Ледебурит відрізняється великою твердістю, і його наявність в структурі матеріалу чинить негативний вплив на ряд технологічних властивостей (перш за все, здатність деформуватися під дією навантажень). З іншого боку, чавуни мають дуже хорошими ливарними властивостями (рідкий чавун встигає заповнити всі віддалені порожнини ливарної піщаної форми, перш ніж почне тверднути). В залежності від швидкості та умов охолодження, ледебурит може мати різну будову. Так, при прискореному охолодженні, формується стільниковий ледебурит. Це, по суті, пластини з цементиту, на яких утворилися аустенітні кристали. Пластинчастий ледебурит складається з вельми тонких цементитных утворень, розділених між собою схожими за формою утвореннями фериту. Якщо зробити шліф зразка евтектичного чавуну, який охолоджувався з дотриманням певних умов, відполірувати і протруїти його, то в об'єктиві металографічного мікроскопа можна буде побачити пластинки фериту і цементиту, що чергуються між собою.

Структурні і фазові перетворення після затвердіння залізовуглецевих сплавів

Як було сказано раніше, залізо володіє цікавою особливістю – можливістю перебудовувати атоми. Решітка феррума (заліза) може бути ОЦК (об'ємно-центрованої) і ГЦК (гранецентрованої). Дослідники та вчені в галузі матеріалознавства стверджують, що в умовах надвисоких тиску (кілька тисяч атмосфер і більше), атоми заліза також можуть упорядковуватися і утворювати гексагональну плотноупакованную решітку. Перетворення затверділого сплаву описуються наступними лініями діаграми: NH, NJ, GO, OS. Лінія NH служить кордоном високотемпературного фериту і аустеніту. Коли сплав охолоджується, то з аустеніту утворюється ферит і цементит. Однак це справедливо лише при дуже малих швидкостях охолодження. Якщо швидкість охолодження буде вище критичної, то за сдвиговому механізму буде утворюватися метастабільний мартенсит з неймовірно великими залишковими внутрішніми напругами. Лінія NJ також є свого роду кордоном існування фериту і аустеніту. При досягненні цієї лінії завершується процес фазового перетворення. Лінія МО відповідає температурному значенням 727 градусів. У деяких джерелах вона називається точкою Кюрі (на честь дослідника, який відкрив це явище). При нагріванні вище температури 727 градусів Цельсія, залізо і сталь втрачають свої магнітні властивості. Явище це дуже цікаве і в повній мірі до цих пір не вивчено. Крива GOS відповідає критичних температур аустенитно-феритного перетворення. Точка АС 3 на діаграмі Fe fe3c позначає температуру, при якій починає протікати перетворення фериту в аустеніт. А ось точка АС 1 позначає температуру, при якій починає протікати зворотне перетворення – на межі зерен високотемпературного аустеніту зароджуються і зростають перлітові освіти. Справа в тому, що на діаграмі лінії позначають рівноважний стан. І для того, щоб почали протікати відповідні перетворення, необхідно забезпечити деякий переохолодження або навпаки – перегрів. Сталь, що містить 08% вуглецю, повністю складається з перліту. Перетворення перліту в аустеніт і назад в таких матеріалах протікає не одномоментно, а в температурному інтервалі. При цьому постійно відбувається перерозподіл вуглецю між двома фазами. На діаграмі стану системи Fe fe3c лінія SE відповідає максимальної можливої розчинності вуглецю в розчині. Цим пояснюється початок виділення з аустеніту цементиту. Цементит в даному випадку прийнято називати вторинним, оскільки він виділяється з твердої фази. При певних концентраціях вуглецю (це стосується чавунів) відбувається виділення цементиту з розплаву. Такий цементит прийнято називати первинними. Існує також і третинний цементит. Але це вже окрема тема. При досягненні лінії GP перетворення аустеніту в перліт завершується. Це якщо сплав охолоджується. При нагріванні ж усе з точністю до навпаки – по досягненні зазначеної лінії на межах зерен починають зароджуватися і рости нові зерна аустеніту. Вуглець, в залежності від розчинності, може змінювати свою концентрацію і поступово перерозподіляється. Зміна вмісту цього елемента відбувається по лінії PQ. Дана лінія діаграми Fe fe3c при охолодженні відповідає початку виділення третинного цементиту. Дана фаза формується, як правило, на межі фазового розділу. Зрозуміло, при нагріванні ця лінія буде відповідати завершення розчинення третинного цементиту. Якщо в сплаві міститься 02 відсотка вуглецю і менше, то такий матеріал назвати сталлю буде не коректно. Правильне його назва - технічне залізо. Іноді в джерелах літератури зустрічається абревіатура АРМКО (від назви американської металургійної компанії, яка вперше почала випускати такий матеріал в промислових масштабах). Технічне залізо має низький комплекс механічних і фізичних властивостей та не знайшло широкого застосування. Мабуть, воно корисно лише при проведенні дослідних робіт (вивчення впливу деформації на рекристаллизационные процеси, розробка нових режимів хіміко-термічної обробки, дослідження можливостей і закономірностей багатокомпонентного дифузійного насичення поверхонь виробів і так далі). Графіт в залізовуглецевих сплавах, відповідно до діаграми Fe fe3c, може виділятися як безпосередньо з рідини, так і з твердої фази. Але другий варіант можливий лише при проведенні спеціальної термічної обробки – дифузійного відпалу. Така обробка називається «графитизация». Графитизирующий відпал має дуже важливе значення на практиці. Справа в тому, що при первинній кристалізації чавунів графіт в них знаходиться у зв'язаному стані. Такі чавуни називають білими. Вони мають високу твердість, але дуже крихкі. Тому застосування в техніці не знайшли. Їх практично неможливо обробляти різанням. Подібні білі чавуни застосовуються для виготовлення сопла піскоструминних машин, так як мають хорошу зносостійкість при терті. Відпал ж дозволяє отримати графітні включення. При цьому технологічні та експлуатаційні властивості такого чавуну значно поліпшуються. Варто скасувати, що форма включень може бути різною. Вона в значній мірі впливає на експлуатаційні та технологічні властивості чавуну. В залежності від форми графітових включень, чавун ділиться на сірий (пластинчаста форма), ковкий (пластівчасті графітові включення) і ковкий (або бичачий очей – кулясті включення). Форма визначається режимами відпалу, а також присадками, додаються в розплав.