Важко уявити сучасне будівництво,техніку, машинобудування і інші найважливіші галузі без застосування головних металевих сплавів зі сталі і чавуну. Їх виробництво перевищує всі інші в десятки разів.
Якщо розглянути сталь і чавун з точки зорутакий науки, як металознавство, то центральною фігурою постає діаграма стану сплавів залізо-вуглець, яка дозволяє отримати докладні уявлення про склад і структурних перетвореннях в цих матеріалах. А також познайомитися з їх фазовим складом.
Історія відкриття
Вперше на те, що в сплавах (сталях і чавунах)є певні (особливі) точки, вказав великий металург і винахідник - Дмитро Костянтинович Чернов (1868 рік). Саме він зробив важливе відкриття про поліморфних перетвореннях і є одним з творців діаграми стану залізо-вуглець. На думку Чернова, положення цих точок на діаграмі має пряму залежність від процентного вмісту вуглецю.
І що найцікавіше, саме з моменту цього відкриття і починає своє життя така наука, як металографія.
Діаграма сплавів заліза з вуглецем є результатом кропіткої праці вчених кількох країн світу. Усі буквені позначення головних точок і фаз в діаграмі є інтернаціональними.
поняття діаграми
Графічне зображення процесів, що відбуваються всплаві при зміні температурного режиму, концентрації речовин, тиску, називається діаграмою стану. Вона дозволяє об'ємно і наочно побачити всі перетворення, що відбуваються в сплавах.
Елементи діаграми залізо-вуглець
Коротка інформація про кожного з цих елементів.
Залізо - це сріблясто-сірий метал. Питома вага - 7, 86 г / см3. Має температуру плавлення тисячі п'ятсот тридцять дев'ять ° С.
При взаємодії заліза і інших металів утворюються сполуки, звані розчинами заміщення. Якщо з неметалами, наприклад з вуглецем або воднем, то - розчинами впровадження.
Залізо має здатність, будучи спочаткутвердим, перебувати в кількох станах, які в металознавстві прийнято називати "альфа" і "гамма". Це якість називається поліморфізмом. Про це далі в статті.
Вуглець - це неметалл. Якщо він виступає як графіт, то температура плавлення дорівнює 3500 ° С. Якщо як алмаз - 5000 ° С. Щільність вуглецю - 2,5 г / см3. Він також володіє поліморфічне властивостями.
У сплавах залізо-вуглець цей елемент утворює твердий розчин, в складі якого є феррум, званий цементитом (Fe3C). Також формує графіт в чавунах.
Діаграма сплаву залізо-вуглець
В результаті взаємодії складових діаграми один з одним, виходить цементит - хімічна сполука.
Як правило, при вивченні діаграми студентами-металознавців, все стійкі сполуки розглядаються як компоненти, а саме графічне зображення досліджується по частинах.
Також на заняттях будують криву охолодження по діаграмі залізо-вуглець: вибирається відсоток вуглецю, а потім необхідно визначити, яка фаза відповідає якій температурі на діаграмі.
Для цього необхідно крім самої діаграминакреслити систему координат (температура-час). І починаючи з максимальних градусів, рухатися поступово вниз, зображуючи криву і ділянки переходу однієї фази в іншу. При цьому необхідно називати їх і вказувати тип кристалічної решітки.
Далі розглянемо докладніше саме графічне зображення діаграми стану залізо-вуглець.
По-перше, вона має дві форми (частини):
- залізо-цементит;
- залізо-графіт.
По-друге, сплави, в яких головними "діючими особами" є феррум і вуглець, умовно ділять на:
- стали;
- чавуни.
Якщо вуглецю в сплаві менше або дорівнює 2,14% (точка Е на діаграмі), то це сталь, якщо більше 2,14% - чавун. З цієї причини і поділяють діаграму на дві фази.
поліморфні перетворення
Більш докладно про кожну фазу трохи нижче в статті. А якщо коротко, то здійснення головних перетворень відбувається при особливих температурах.
Стан заліза позначають як α-ферум (при температурі менше 911 ° С). Кристалічна решітка - об'ємний гранецентрированний куб. Або ОЦК. Дистанція між атомами таких грат досить висока.
Залізо набуває модифікацію гамма, тобто позначається як γ-феррум (911-1392 ° С). Кристалічна решітка - гранецентрированний куб (ГЦК). У цій решітці дистанція між атомами нижче, ніж в ОЦК.
При переході α-феруму в γ-феррум обсяг речовинистає меншим. Причиною тому є кристалічна решітка - її вид. Тому що решітка ГЦК має більш впорядкований стан атомів, ніж ОЦК.
Якщо перехід здійснюється в зворотному напрямку - з γ-феруму в α-феррум, то обсяг сплаву збільшується.
Коли температура досягає значення тисяча триста дев'яносто дві ° С (алеменше температури плавлення заліза 1539 ° С), то α-феррум перетворюється в δ-феррум, але це не є її новою формою, а лише різновидом. До того ж δ-феррум є нестійкою структурою.
Властивості технічно чистого заліза
Магнітні властивості заліза при різних температурах:
- менше 768 ° С - феромагнітні;
- більше 768 ° С - парамагнітний.
А температурну точку 768 ° С називають точкою магнітного перетворення, або точкою Кюрі.
Властивості технічно чистого заліза:
- твердість - 80 НВ;
- тимчасовий опір - 250 МПа;
- межа плинності - 120 МПа;
- відносне подовження 50%;
- відносне звуження - 80%;
- високий модуль пружності.
карбід заліза
Графічний вид складової частини діаграми залізо-вуглець: Fe3C. Речовина називається карбідом заліза, або цементитом. Для нього характерно:
- Зміст вуглецю 6,67%.
- Питома вага - 7,82%.
- Кристалічна решітка має ромбічну форму, що складається з октаедрів.
- Плавлення відбувається при температурі ≈1260 ° С.
- Низькі феромагнітні властивості при низькій температурі.
- Твердість - 800 НВ.
- Пластичність практично дорівнює нулю.
- Карбід заліза утворює тверді розчинизаміщення, в яких атоми вуглецю заміщаються атомами неметалів (азотом), а атоми заліза - металами (хромом, вольфрамом, марганцем). Цей твердий склад називається легованим.
Як вже зазначалося вище, цементит - ценестабільна фаза, а графіт - стабільна. Оскільки перше речовина являє собою нестійке з'єднання, розпадаючись при певних температурних умовах.
У діаграмі залізо-вуглець є такі стани:
- рідка фаза;
- феррит;
- аустенит;
- цементит;
- графіт;
- перліт;
- ледебурит.
Розглянемо кожну з них детальніше.
рідка фаза
Феррум в рідкому стані добре розчиняє вуглець. Це незалежно від того, в якій пропорції вони знаходяться за процентним вмістом. В результаті утвориться однорідна рідка маса.
ферит
Є твердим розчином впровадження вуглецю вα-ферум. Також може бути включено невелику кількість домішок. Але феррит має майже однакові якості, як і чисте залізо. Якщо розглянути структуру під мікроскопом, то можна побачити поліедріческіх зерна світлого тону.
буває:
- низькотемпературний (при температурі 727 ° С розчинність вуглецю 0,02%);
- високотемпературний (при 1499 ° С розчинність вуглецю 0,1%), або його називають δ-феррум.
Властивості фериту:
- твердість - 80-120 НВ;
- тимчасовий опір - 300 МПа;
- відносне подовження - 50%;
- володіє хорошими магнітними властивостями (до температури 768 ° С).
аустеніт
Це твердий розчин впровадження вуглецю вγ-ферум. Також можуть бути в невеликій кількості домішки. У кристалічній решітці вуглець знаходиться в центрі ГЦК осередки. При розгляді структури аустеніту під мікроскопом, видно як світлі зерна поліедріческіх форми з двійниками.
Володіє наступними характеристиками:
- Розчинність вуглецю в γ-ферум 2,14% (при температурі +1147 ° С).
- Твердість аустеніту 180 НВ;
- Подовження - 40-50%;
- Хороші парамагнітні якості.
Цементит і його форми
Присутній в таких фазах: Ц1, Ц2, Ц3 (первинний, вторинний і третинний цементит).
Що стосується фізико-хімічних показників цих трьох станів, то вони приблизно рівні. На механічні властивості впливає розмір часток, їх кількість і розташування.
Також по діаграмі видно, що:
- Ц1 утворюється з рідкого стану (під мікроскопом він видно як пластини великої величини);
- Ц2 - з аустеніту (розташовуючись навколо його зерен у вигляді сітки);
- Ц3 - з фериту (розташовуючись біля кордонів феритних зерен у вигляді дрібних частинок).
Перліт і ледебурит
Суміш фериту і цементиту називається перлітом. Він утворюється при розпаді аустеніту (при температурі менше 727 ° С). При збільшенні ця структура має форму пластин або зерен.
Перліт при поступовому зниженні температури присутній у всіх сплавах з вмістом вуглецю 0,02-6,67%.
Ледебурит - суміш аустеніту і цементиту. Він утворюється з рідкої фази при охолодженні до температури нижче 1 147 ° С.
чавуни
Сплави на діаграмі залізо-вуглець, якімістять вуглецю більше, ніж 2,14%, називаються чавунами. Вони володіють високою крихкістю. Поперечний переріз такого чавуну має світлий тон, а тому його називають білим чавуном.
На діаграмі це точка С, яка називається евтектикой,з відповідним вмістом вуглецю 4,3%. При кристалізації утворюється суміш, що складається з аустеніту і цементиту, в сукупності звана ледебуріта. Фазовий склад постійний.
При концентрації вуглецю менше 4,3%(Доевтектичний чавун) при кристалізації виділяється аустеніт з розчину. Далі з нього виділяється Ц2. А при 727 ° С аустеніт перетворюється в перліт. Структурний стан такого чавуну наступне: великі ділянки перліту темного тону.
У заевтектичних білому чавуні (вуглецю більше4,3%) при охолодженні структурування відбувається з утворенням кристалів Ц1. Далі перетворення здійснюються вже в твердому стані. Структура являє собою ледебурит, який є фоном для полів перліту темного тону. А великі пласти - це Ц1.
висновки
Досягти абсолютної рівноваги, як фізичного, так і хімічного, неможливо, окрім як в спеціальних лабораторних умовах.
На практиці рівновагу може бути наближене доабсолютного, але за певних умов: досить повільного підвищення або зниження температури сплаву, який буде довго витримуватися за часом.
