СПЛАВИ СИСТЕМИ "ЗАЛІЗО - ВУГЛЕЦЬ"

Сплави заліза і вуглецю - стали і чавуни - найбільш широко застосовуються в машинобудуванні. Обсяг їх виробництва приблизно в десять разів перевищує виробництво всіх інших металів, разом узятих.

Компоненти і фази в сплавах "залізо - вуглець"

Залізо і вуглець - це речовини, що зазнають поліморфні перетворення.

Залізо - метал сріблястого кольору; атомний номер 26; атомна маса 55,85 вуглецевих одиниць; атомний радіус 0,127 нм. Щільність заліза 7874 кг / м3. Температура плавлення 1539 ° С.

Залізо в твердому стані може знаходитися в двох модифікаціях: залізо-α (Feα), решітка ОЦК з періодом а, рівним 0,286 нм, і залізо-γ (Feγ), решітка ГЦК з періодом а = 0,364 нм. Feα існує при температурах до 910 ° С і від тисяча триста дев'яносто два ° С до 1539 ° С. Feα є магнітним (феромагнітним) металом до температури 768 ° С - точки Кюрі, при якій він переходить в парамагнітний стан. Залізо з гратами ОЦК, існуюче при температурах понад 1392 ° С, позначають залізо-δ (Feδ). Fe існує в інтервалі температур 910 ... 139 ° С і має парамагнітні властивості.

Перетворення, що зазнають залізом при нагріванні, наведені на рис. 4.1.

Перетворення заліза при нагріванні

Мал. 4.1. Перетворення заліза при нагріванні

Температури перетворень заліза (і сплавів на його основі) - критичні точки - позначають буквою А з індексами: з при нагріванні - Ас і r при охолодженні - Аr з відповідними номерами (рис. 4.2).

Залізо утворює з багатьма елементами хімічні сполуки (наприклад, з вуглецем - карбіди, азотом - нітрид, сірої - сульфіди і ін.). Залізо утворює також тверді розчини: заміщення з металами і впровадження з неметалами (вуглець, азот, водень).

Вуглець - неорганічне неметалевої речовина; це елемент II періоду IV групи Періодичної системи, атомний номер 6, атомна маса 12,011, атомний радіус 0,077 нм, температура плавлення 3500 ° С. Може існувати в різних модифікаціях - графіт і алмаз. Поліморфний перетворення графіт → алмаз відбувається при високих температурах і тисках (реалізується при синтезі алмазу, см. 9.2.6).

Взаємодія заліза і вуглецю

Вуглець розчиняється в залозі, що знаходиться в рідкому стані, він розчиняється також в залозі, що знаходиться в твердому стані, - Feα і Feγ, утворюючи при цьому тверді розчини - ферит і аустеніт відповідно. Вуглець утворює з залізом і хімічна сполука - карбід заліза, званий цементитом. Крім того, в структурі ряду сплавів "залізо - вуглець" вуглець може перебувати у вільному стані у вигляді графіту.

Критичні точки заліза

Мал. 4.2. Критичні точки заліза

Ферит (Ф) - твердий розчин вуглецю в α-залізі. Розчинність вуглецю в фериті мала, так як центр куба решітки ОЦК зайнятий атомом заліза: 0,006% при температурі 20 ° С, розчинність підвищується при нагріванні і досягає максимальної 0,02% при температурі 727 ° С. Гранична розчинність вуглецю в високотемпературному 8-феррите досягає 0,1% при 1 499 ° С. Ферит має невисокі твердість і міцність (~ 80 НВ, σΒ = = 250 ... 270 МПа, σ02 = 120 ... 130 МПа) і високу пластичність (8 = 50%, = 80%). Модуль нормальної пружності E = 220 000 МПа.

Аустеніт (А) - твердий розчин вуглецю в γ-залозі. Атом вуглецю в ГЦК-решітці γ-заліза розташовується в центрі елементарної комірки. Тому розчинність вуглецю в аустеніт значно вище, ніж в фериті. Вона становить 0,8% при 727 ° С - мінімальній температурі існування аустеніту і підвищується до 2,14% (гранична розчинність) при температурі 1147 ° С. Для аустеніту характерні висока пластичність, низькі міцність і межа плинності; твердість аустеніту - 170 ... 200 НВ.

Структури фериту і аустеніту наведені на рис. 4.3.

Цементит (Ц) - карбід заліза Fe3C, максимальний вміст вуглецю в якому становить 6,67%. Цементит має ромбічну грати (див. 1.3.1 та табл. 1.1), високу твердість 800 ... 850 IIV і низьку пластичність. Температура плавлення цементиту - 1260 ° С. цементит є

Структура фериту при 20 ° С (а) і аустеніту при 1000 ° С (б).  × 250

Мал. 4.3. Структура фериту при 20 ° С (а) і аустеніту при 1000 ° С (б). × 250

метастабільною фазою і може розпадатися з утворенням вільного вуглецю у вигляді графіту.

Графіт (Гр) - вуглець, що знаходиться в структурі сплавів у вільному стані. Має гексагональную кристалічну решітку, володіє хорошою електропровідністю, хімічною стійкістю, малою міцністю, дуже низькою твердістю.

Таким чином, в сплавах заліза з вуглецем існують такі фази: рідкий розчин (Ж), ферит (Ф), аустеніт (А), цементит (Ц) і вільний вуглець у вигляді графіту (Гр). Серед цих фаз є дві високовуглецеві: метастабільна - цементит (Ц) і стабільна - графіт (Гр).

Цементит і графіт є компонентами двох різних діаграм стану залізовуглецевих сплавів. Одна - метастабільна, що характеризує перетворення в системі "Fe - Fe3C" (залізо - цементит), а інша стабільна, що відображає перетворення в системі "Fe - З" (залізо - вуглець).

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >