ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5

ДІАГРАМА СТАНУ СПЛАВІВ СИСТЕМИ ЗАЛІЗО - ВУГЛЕЦЬ

Мета роботи: вивчення діаграми стану залізовуглецевих сплавів, аналіз перетворень, які проходять у сплавах при охолодженні та нагріванні, визначення фазового та структурного стану сплавів залежно від їх складу та температури.

Матеріали та обладнання. Для виконання даної лабораторної роботи студентам роздаються діаграми стану Fe-C з описанням механізму формування структур типових сплавів в цій системі.

Теоретичні відомості. Найважливішими матеріалами в сучасній машинобудівній промисловості є залізовуглецеві сплави: технічне залізо, сталі та чавуни. Основою для вивчення процесів формування їх структури є діаграма стану системи Fe-C (рис. 5.1).

Структура сплаву визначає його властивості. Важливо знати, які фази та структури формуються в сплавах залежно від їх складу та температури. Необхідно вміти керувати процесом структуроутворення для забезпечення експлуатаційних властивостей сплавів.

Рисунок 5.1 – Діаграма стану системи залізо - вуглець

Компонентами залізовуглецевих сплавів є залізо та вуглець, який може знаходитись у сплавах у хімічно зв’язаному стані у вигляді цементиту – Fe₃C (Ц) або у вільному стані – у вигляді графіту (Г). Залежно від цього структуроутворення залізовуглецевих сплавів при їх охолодженні з рідкого стану можна розглядати за діаграмою метастабільної рівноваги Fe – Fe₃C (рис. 5.1, суцільні лінії) або за діаграмою стабільної рівноваги Fe – C (рис. 5.1, пунктирні лінії С¹D¹, E¹C¹F¹, E¹S¹, S¹K¹).

Залізо плавиться при температурі 1539 °С, його густина при кімнатній температурі 7,68·10³ кг/м³. Залізу властивий поліморфізм, тобто залежно від температури воно має різну кристалічну будову.

При кристалізації (1539 °С) утворюється -Fe, кристалічна будова якого описується об’ємноцентрованою кубічною (ОЦК) граткою. При 1392 °С замість ґратки -Fe (ОЦК) шляхом перегрупування атомів утворюється -Fe з гранецентрованою кубічною (ГЦК) граткою. При 910 °С також проходить поліморфне перетворення, внаслідок якого -Fe переходить в -Fe з (ОЦК) граткою. нижче 910 °С таке залізо стає стійким аж до температури абсолютного нуля.

Залізо залежно від температури може знаходитись в різноманітних магнітних станах. При температурі 768 °С (768…910 °С) a-Fe, так само як і d-Fe, і g-Fe, - парамагнетик, тобто є немагнітним, нижче 768 °С – феромагнетик (магнітне). Температура 768 °С (точка Кюрі) є температурою переходу a -Fe із парамагнітного стану в феромагнітний при охолодженні заліза і навпаки – при його нагріванні. Залізо a з парамагнітними властивостями іноді називають b -Fe. Таким чином, при 1392 °С в рівновазі знаходяться d -Fe та g -Fe (d -FeЫ g -Fe); температура рівноваги g -Fe та a -Fe – 910 °С (g-FeЫ a-Fe).

Температури рівноважного стану двох чи декількох фаз називаються критичними. Їх позначають літерою А з відповідним індексом (порядковий номер температури зростає з її підвищенням). Для заліза: 768 °С – А₂; 910 °С – А₃; 1392 °С – А₄.

Залізо з вмістом вуглецю 0,01…0,1 % має такі властивості: твердість за Брінелем 70…80 НВ; міцність на розрив s_в =200…250МПа ; відносне звуження d =50…55%; ударна в’язкість КСU⁺²⁰=220 … 250 кДж/м². Цементит містить 6.67 % вуглецю і має високі твердість і крихкість, його міцність на розтяг дуже мала. Цементит – метастабільна (нестабільна) фаза, слабо феромагнітна, точка Кюрі (А₀) - 210^оС. Час стійкості цементиту зменшується з підвищенням температури: при низьких температурах він існує нескінченно довго, при температурах, які перевищують 950°С, за декілька годин розпадається на залізо та графіт. На цьому явищі заснований відпал білого чавуну на ковкий.

Графіт – одна із двох кристалічних модифікацій вуглецю. Його температура плавлення 3850 °С.

В залізовуглецевих сплавах графіт, на відміну від цементиту, є стабільною фазою. Сплавляючи залізо з вуглецем, отримуємо сплави з різноманітною структурою та властивостями.

При підвищених швидкостях охолодження сплавів у результаті процесу кристалізації утворюється цементит. Утворення графіту спостерігається тільки в високовуглецевих сплавах у випадку їх повільного охолодження або при деяких ізотермічних витримках. В сплавах із зниженим вмістом вуглецю утворення графіту малоймовірне.

На діаграмі метастабільної рівноваги крайні ординати відповідають чистим компонентам: GNA – залізу, KFD – цементиту. Ординати між ними – подвійним сплавам, загальний вміст заліза й вуглецю в яких дорівнює 100 %. Для заліза на лінії GNA точка А відповідає температурі плавлення (1539 °С); N - перетворенню d -Fe Ы a -Fe; G – перетворенню g -Fe Ы a -Fe. Для цементиту: D – температура плавлення (точно не встановлена).

В системі Fe – Fe₃C можливі: рідка фаза — розчин заліза й вуглецю та чотири твердих –d – та a - тверді розчини – ферит (Ф), g -твердий розчин –аустеніт (А), і цементит Fe₃C. Ліквідус – АВСD; солідус – АНІЕСF.

Затвердівання сплавів, які містять до 0,5% С, починається з утворення d -фериту за реакцією Р_{(АВ) ®} d -ферит (Ф_(АН)) (див. рис. 5.1). Характер подальшої кристалізації сплавів залежить від вмісту в них вуглецю. Сплави з вмістом до 0,1% С (до точки Н), повністю тверднуть в інтервалі температур, який відповідає лініям АВ та АН з утворенням однофазної структури d -фериту. Цій структурі відповідає ділянка діаграми, що знаходиться зліва від лінії АНN.

Сплави з 0,1…0,5 % С (між точками Н і В) кристалізуються дещо складніше. Після виділення з рідини відповідної кількості фериту при температурі 1499 °С (ізотерма НІВ) вони зазнають перитектичного перетворення:

РВ+dН ® АІ.

В сплаві, який містить 0,16 % С (І), обидві вихідні фази (Р+d-ферит), взаємодіючи між собою при перитектичному перетворенні, без залишку витрачаються на утворення g–твердого розчину (аустеніту). Після цього сплав набуває однофазної структури – аустеніт. В сплавах, які містять від 0,1 (Н) до 0,16 % С (І), після перитектичної реакції залишається в залишку частка d-фериту, який при подальшому охолодженні сплаву (в результаті перетворення ґратки ОЦК в ГЦК) в інтервалі температур, які відповідають лініям НN та IN, перетворюється в аустеніт: d_(НN)®g_(IN) (Ф®А). Сплави з вмістом вуглецю 0,16…0,5% остаточно тверднуть в інтервалі температур ліквідус (ВС) – солідус (ІЕ), при яких залишкова рідина кристалізується в аустеніт: Р_(ВС) ®А_(ІЕ). Цією ж реакцією також описується процес затвердівання сплавів із вмістом вуглецю 0,5…2,14% С.

Таким чином усі сплави, які містять менше 2,14 % С, після першої кристалізації отримують однофазну структуру – аустеніт, яка зберігається при охолодженні до температур, відповідних лінії GSE. При подальшому охолодженні проходить перекристалізація аустеніту, в результаті чого формується кінцева структура сплавів.

У групі сплавів, які містять від 2,14 (Е) до 6,67 % С(F), існує евтектичний сплав з 4,3 % С (точка С), який при 1147 °С (ізотерма ЕСF), є одночасно насиченим вуглецем і залізом, кристалізується за евтектичною реакцією:

РС ® АЕ+ЦF.

Утворена евтектична суміш двох фаз (А+Ц) називається ледебуритом.

Сплави доевтектичні 2,14 (точка Е)…4,3 % С (точка С) і заевтектичні 4,3…6,67 % С кристалізуються в два етапи. На першому в інтервалі температур ліквідус (ВСD) – солідус (ЕСF) із рідкої фази виділяються первинні кристали: в доевтектичних – аустеніт (А), в заевтектичних – цементит (Ц)_І. На другому етапі рідина, що залишилась, твердне з утворенням евтектики – ледебурит (цементит + аустеніт). В результаті первинної кристалізації доевтектичні сплави мають структуру А_Е+Л, заевтектичні – Ц_І+Л. До- і заевтектичні сплави після первинної кристалізації мають дві фази – аустеніт і цементит.

Лінія АНN (див. рис. 5.1) показує границю розчинності вуглецю в d-Fe, лінія GPQ – в a-Fe, лінія ES – в g-Fe. Таким чином, максимальна розчинність вуглецю в d-Fe становить 0,1 % (точка Н, температура 1499°С), в a-Fe - 0,02% С при 727 °С ( точка Р) і 0,0 1% С при 600 °С (Q) ; в g-Fe – 2,14% (точка Е).

Сплави заліза з вуглецем, якого в сплаві менше 0,02%, називаються технічним залізом. Справа від лінії GPQ ферит є пересиченим твердим розчином, на лінії GPQ він гранично насичений вуглецем. При охолодженні сплавів, розташованих на діаграмі справа від PQ, нижче 727 °С із фериту виділяється надлишковий вуглець, що приводить до формування цементиту третинного (Ц_ІІІ) у вигляді сітки на границях зерен фериту. Структура технічного заліза показана на рис. 5.3, а. Якщо в структурі сплавів (0,02…6,67 % С) уже є цементит, то Ц_ІІІ нашаровується на нього і металографічним методом не визначається.

Лінія ES показує границю насичення аустеніту вуглецем залежно від температури сплаву. Розчинність вуглецю максимальна при 1147 °С ( точка Е) – 2,14%. В результаті аустеніт у сплавах, вміст вуглецю в яких більше 0,8% (точка S), справа від лінії ES виявляється перенасиченим твердим розчином і з нього виділяється вуглець, який іде на утворення цементиту вторинного (Ц_ІІ). У сталях Ц_ІІ формується частіше у вигляді сітки на границях зерен аустеніту, в чавунах найчастіше нашаровується на цементиті ледебуриту.

Вуглець, розчинюючись в ОЦК ґратці заліза d і a, змінює їх і тим самим знижує температурну стійкість цих структур. Тому, чим більше вуглецю розчинено в d-Fe, тим при більш високих температурах ґратка d перетворюється в g - ґратку; чим більше вуглецю в сплаві, тим при більш низьких температурах аустеніт перетворюється в a-ферит. Таким чином, розчинення вуглецю в залізі спричиняє підвищення температури А₄ (лінія NI) і зниження А₃ (лінія GS), розширення температурної області існування аустеніту й зниження області фериту.

При охолодженні сплавів, які містять менше 0,8 % С, перетворення аустеніту у ферит починається при температурах, що відповідають лінії GS. Це перетворення через різну розчинність вуглецю у фериті (GР) і аустеніті (ЕS) супроводжується дифузійним перерозподілом вуглецю між ними. Тому перебудова ґраток проходить в температурному інтервалі GS - GР. Ділянка РGS є ділянкою двофазної структури, в якій ферит знаходиться в рівновазі з аустенітом.

У сплавах, що розташовані між точками Р та S, під час охолодження із утворенням фериту в указаному інтервалі температур аустеніт збагачується вуглецем (GS). При 727 ^оС вміст вуглецю в аустеніті на заключному етапі досягає 0,8 % (S), ґратка g - Fe (ГЦК) втрачає стійкість і перебудовується в ґратку a - Fe (ОЦК), в якій при 727 °С розчиняється тільки 0,02% С (Р).

Поліморфне перетворення ГЦК_{(0,8% С) ®} ОЦК_(0,02%С) супроводжується виділенням вуглецю з розчину й утворення цементиту:

А(S=0,8%C) ® Ф(Р=0,02%С)+Ц(К).

Це трифазне перетворення, обумовлене поліморфізмом заліза, що відбувається при 727^оС, називається евтектоїдним. На відміну від трифазного евтектичного перетворення, при евтектоїдному вихідною фазою є не рідкий, а твердий розчин (в даному випадку аустеніт). Суміш фаз, що виділилася з твердого розчину називається евтектоїдом, при чому число фаз дорівнює числу компонентів системи. Структурна складова залізовуглецевих сплавів, яка утворюється в результаті розпаду аустеніту і яка складається із пластинок двох фаз – фериту і цементиту, що чергуються між собою, називається перлітом (П). Температура утворення перліту відповідає критичній температурі А₁ .

На діаграмі метастабільної рівноваги точці А₁ відповідає лінія РSK (727 °С). Евтектоїдне перетворення А®П, проходить в усіх сплавах, які містять більше 0,02 % С (точка Р), тобто в сталях і чавунах.

Сплави з вмістом вуглецю 0,02…2,14 % С, у структурі яких присутній перліт, називаються сталями (steel). Сталі поділяються на доевтектоїдні (С= 0,02…0,8 % С, структура Ф+П); евтектоїдні (С=0,8 % С, структура перліт); заевтектоїдні (С=0,8…2,14 % С, структура П+Ц_ІІ). Схеми структур цих сталей показані на рис. 5.3.

Сплави, які містять від 2,14 до 6,67% С, у структурі яких присутня певна доля евтектики – ледебуриту, називаються чавунами. Вони поділяються на доевтектичні (С=2,14…4,3 % С, структура П+Л); евтектичні (С+4,3 % С, структура - ледебурит); заевтектичні (С>4,3 % С, структура Ц_І+Л).

Цементит третинний в сталях і чавунах, а також цементит вторинний в евтектичному і заевтектичному чавунах як самостійні структурні складові при мікроструктурному аналізі зазвичай не визначаються.

Необхідно зазначити, що всі описані зміни структури, що проходять при охолодженні сплавів, повторюються і при нагріванні сплавів (у зворотному порядку). Це справедливо лише в тому випадку, коли охолодження і нагрівання проходять із дуже малими швидкостями, і при будь-якій температурі всі можливі перетворення повністю завершені й сплави знаходяться в стані фазової рівноваги.

Про фазові перетворення можна судити з кривих їх охолодження або нагрівання. Як приклад розглянемо процес структуроутворення в сталі з 0,4% С (рис. 5.2). Вище точки 1 сталь знаходиться в рідкому стані і безперервно охолоджується. В інтервалі температур 1-2 із рідкої фази, склад якої змінюється по ліквідусу АВ, випадають кристали d – фериту, склад яких визначається по солідусу АН. За правилом фаз С=2-2+1=1, t № const. При кристалізації виділяється тепло, на ділянці кривої 1-2 охолодження сплаву зменшується. При температурі точки 2 проходить трифазне перитектичне перетворення: Р_В+d_Н ® А₁+Р(залишок); С=2-3=1=0, t=const.

Залишкова рідина кристалізується при безперервному охолодженні в інтервалі температур 2-3 з утворенням аустеніту. В інтервалі 3-4 сплав має структуру А (аустеніту), безперервно охолоджується. При температурах 4-5 проходить поліморфне перетворення, ГЦК перебудовується в ОКЦ ґратку і з аустеніту виділяються кристали a-фериту.

При температурі точки 5 проходить трифазне евтектоїдне перетворення А_(S)® Ф_(Р)+Ц_(К), коли з аустеніту, не перетвореного у ферит, утворюється евтектоїд - перліт (Ф+Ц). У процесі подальшого охолодження сплаву з фериту виділяється Ц_ІІІ, який нашаровується на цементиті перлітному. Структура сталі охолодженої нижче температури точки 5 (до точки 6) - Ф+П (рис. 5.3, а).

Масові долі (%) фериту й перліту як структурних складових сталей можуть бути визначені за правилом відрізків. Наприклад, при 600 °С Ф=(0,8-0,4)/(0,8-0,01)100=50 %, а перліту П=(0,4-0,01)/(0,8-0,01)100=50 %. Масова доля фериту як фази, що існує разом із цементитом, Ф=(6,67-0,4)/(6,67-0,01)100=94 %. Решта 6 % належать іншій фазі – цементиту.

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

Рисунок 5.2 – Діаграма стану системи “Залізо-вуглець” і криві охолодження сталей (сплави І і ІІ) і чавунів (сплави ІІІ і ІV)

Аналогічна ферито-перлітна структура (тільки з різною часткою цих складових) усіх доевтектоїдних сталей (рис. 5.3, б).

Кристалізація типової заевтектоїдної сталі II з 1,5 % вуглецю (рис. 5.2) відбувається в інтервалі температур від точки 7 до точки 8, коли з рідкої сталі з’являються зерна аустеніту. Після закінчення кристалізації від температури точки 8 до точки 9 в аустенітній області відбувається просте фізичне охолодження однофазного сплаву. Оскільки лінія ES – лінія сольвусу, тобто лінія обмеженої розчинності вуглецю в g-Fe (аустеніті), то нижче від точки 9 аустеніт стає перенасиченим вуглецем. Надлишкові атоми вуглецю виходять із ґратки аустеніту, зв’язуються з атомами заліза у хімічну сполуку – цементит. Такий цементит визначають як вторинний - Ц_II. Він виділяється по межах аустенітних зерен у вигляді тонкого прошарку. При охолодженні до 727 °С кількість вуглецю в аустеніті зменшується до 0,8 % (від точки 9 до точки S по лінії ES) і такий аустеніт при температурі точки 10 перетворюється на перліт. Структура всіх заевтектоїдних сталей – темні зерна перліту, оточені світлими прошарками вторинного цементиту (рис. 5.3, г).

     а б     в     г

Рисунок 5.3 – Схеми структур: а – технічного заліза; б —доевтектоїдної сталі; в – евтектоїдної сталі; г – заевтектоїдної сталі

Як уже зазначалось, залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю більше 2,14% є чавунами, які поділяються на евтектичні, до- і заевтектичні.

У доевтектичних чавунах (сплав III, рис. 5.2) первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур між точками 12 і 13 з виділенням аустеніту. При температурі точки 13 (1147 °С) проходить евтектичне перетворення Р_{С ®}Л(А_Е+Ц). Згідно з правилом фаз – С=2-3+1=0 – це перетворення відбувається при постійній температурі (див. криву охолодження сплаву III).

Після закінчення цієї реакції структура сплаву буде складатися з аустеніту та ледебуриту. При зниженні температури з 1147 °С до 727 °С (точка 14) із аустеніту, в якому було 2,14 % С за рахунок зменшення розчинності вуглецю до 0,8 % (точка S) виділяється вторинний цементит Ц_II, що розміщується навколо зерен аустеніту. Такий вторинний цементит виділяється також і з аустеніту, що входить до складу ледебуриту. При температурі 727°С проходить евтектоїдне перетворення аустеніту (як первинного, так і того, що входив до складу ледебуриту) в перліт (А®П), після завершення якого кінцева структура доевтектичних чавунів (рис. 5.4, а) буде складатися з перліту (темні зерна) і плямистої структури ледебуриту (темні плями перліту на фоні світлого цементиту). Вторинний цементит зливається з цементитом ледебуриту і як окрема фаза не спостерігається.

Структура евтектичного чавуну з 4,3 % С – суто ледебуритна (рис. 5.4, б).

     а     б     в

Рисунок 5.4 – Схеми структур чавунів: а – доевтектичного; б – евтектичного; в - заевтектичного

Кристалізація заевтектичних чавунів (сплав IV на рис. 5.2) починається з виділення в точці 16 кристалів первинного цементиту Ц₁ у вигляді пластин. При температурі точки 17 (1147 °С) відбувається евтектичне перетворення Р_{С ®}Л(А_Е+Ц), після завершення якого структура буде складатися з ледебуриту і первинних кристалів цементиту. Така структура буде зберігатися аж до кімнатної (точки19) з тією різницею, що в кінцевому ледебуриті буде не аустеніт, а перліт, який утворився внаслідок евтектоїдного перетворення при температурі точки 18 —727 °С (рис. 5.4, в).

Ці чавуни називаються білими, оскільки в зламі мають білий сріблястий колір, який визначається наявністю в структурі цементиту.

Діаграма стабільної рівноваги, позначена на рис. 5.2 пунктиром, відображає можливість утворення високовуглецевої фази – графіту на всіх етапах процесу структуроутворення в сплавах з підвищеним вмістом вуглецю. В інтервалі температур ліквідус DC – солідус CF із рідини виділяється графіт. При евтектичній температурі 1153 ⁰С (ізотерма E¹C¹F¹) рідина складу С твердне з утворенням графітної евтектики (А_Е+Г). В інтервалі температур ECF – PSK через зменшення розчинності вуглецю в аустеніті (лінія ES) виділяється графіт. При евтектоїдній температурі (t_PSK=738 °С) вміст вуглецю в аустеніті досягає 0,7 % (S¹) і аустеніт розпадається на ферит і графіт.

Таким чином, при охолодженні сплавів, які включають 2,14…6,67 % С, формується структура, яка складається з фериту та графіту. Це так звані графітизовані чавуни.

Завдання на роботу.

1. Уважно вивчити теоретичний матеріал.

2. Скласти звіт про роботу, в якому: