Властивості заліза й вуглецю
Залізо — сріблясто-білий метал, який має температуру плавлення 1539 °С і такі механічні властивості: σΒ = 250 МПа, δ = 46 %, 80 НВ. Густина заліза 7,86 г/см3. Хімічно чисте залізо, без домішок, одержати надзвичайно важко. Залізо порівняно з деякими металами є м'яким, пластичним металом.
Вуглець — неметалева хімічна речовина, температура плавлення якої становить 3500 °С, міцність σв = 20...40 МПа. Вуглець у природі існує в двох модифікаціях — у вигляді графіту й алмазу.
У залізовуглецевих сплавах вуглець буває у вигляді графіту (в структурі чавунів) або у вигляді хімічної сполуки карбіду заліза Fе3С (цементит) із вмістом вуглецю 6,67 %.
Залізо і вуглець при відповідних концентраціях й температурах можуть утворювати механічні суміші, хімічні з'єднання і тверді розчини.
Алотропічне перетворення завжди супроводжується виділенням теплоти при охолодженні й поглинанням теплоти при нагріванн.
У твердому стані залізо може перебувати у двох модифікаціях: Fea (об'ємоцентрична кубічна ґратка) і Fеγ (гранецентрична кубічна кратка). Кристалічні кратки зображено на рис.
Зміна будови кристалічної ґратки заліза зумовлює зміну деяких його властивостей. Наприклад, у Feα (α—залізо) майже не розчиняється вуглець, а у Feγ (γ-залізо) розчиняється до 2,14 % За температури 1147 °С.
Діаграма стану залізо — цементит та перетворення структурних складових залізовуглецевих сплавів. Діаграму (рис. ) побудовано для системи залізо — цементит (Fe — Ре3С). По осі абсцис відкладено вміст вуглецю у сплаві (у відсотках). Крайня ліва точка відповідає чистому залізу (0 % С), а крайня права точка — чистому цементиту (6,67 % С). Сплави з вмістом вуглецю, більшим за 6,67 %, на діаграмі не позначаються, бо вони не мають практичного значення.
По осі ординат відкладено температури, причому інтервал їх такий, що в ньому вкладаються всі внутрішні перетворення в залізовуглецевих сплавах: найвищою температурою на правій ординаті є температура плавлення чистого цементиту (1550 °С); на лівій ординаті — температура плавлення заліза (1539 °С).
На діаграмі лінії поділяють її на кілька ділянок, причому на ній зазначено, з яких структурних складових складається сплав на кожній ділянці і за яких температур. Діаграма розділена на групи сталей і групи чавунів. Межею між ними є вміст вуглецю (2,14 %).
Лінія ACD, Що є лінією Ліквідусу, Характеризує початок випадання твердих кристалів з рідкого сплаву: по лінії АС — кристали твердого розчину вуглецю в γ-залізі, по лінії CD — хімічна сполука Fe3C (цементит). Твердий розчин вуглецю в γ-залізі називають Аустенітом (А). Лінія AECF, Що є лінією Солідуса, Характеризує сплави в твердому стані.
Рис. Діаграма стану залізовуглецевих сплавів стану Fe — Fe3C
Отже, в проміжку температур між лініями ACD І AECF На ділянці АСЕ — сплав складається з рідкого сплаву (PC) і кристалів аустеніту (А), а на ділянці DCF — з рідкого сплаву (PC) і кристалів цементиту (Ц). Цементит, який виділяється по лінії CD, Називають Первинним Цементитом.
У точці С (після затверднення) утворюється Евтектика, Що складається з аустеніту і цементиту. Цю евтектику називають Ледебуритом (Л), вміст вуглецю становить 4,3 %. При подальшому охолодженні з аустеніту виділяється цементит. У зв'язку з цим аустеніт збіднюється вуглецем і, досягнувши температури 727 °С евтектоїдної концентрації, розпадається з утворенням перліту. Тому ледебурит за нормальної температури складається з перліту і цементиту. Чавун із такою структурою називають Евтектичним (рис. б). Чавун, який містить вуглецю менше ніж 4,3 %, називають Доевтектичним. Доевтектичні чавуни за нормальної температури складаються з перліту і ледебуриту (рис. А). Чавун, який містить вуглецю більш як 4,3 %, називається Заевтектичним. Він складається з кристалів цементиту і ледебуриту (рис. в).
Рис. Мікроструктура чавунів і сталей
На діаграмі (див. рис. 2.22) нижче від лінії AECF Всі сплави перебувають у твердому стані, але на діаграмі є ще ряд ліній: це означає, що й після затверднення в сплавах ще відбуваються зміни. Це так, адже твердий розчин вуглецю в γ-залізі, що утворився нижче від лінії АС (аустеніт), при подальшому охолодженні сплаву розпадається на складові.
Розпад аустеніту настає, по-перше, тому, що, як видно з діаграми, розчинність вуглецю в γ-залізі зменшується зі зниженням температури, а саме: за температури 1147 °С в γ-залізі розчиняється 2,14 % вуглецю (точка Е), а за температури 727 °С — тільки 0,8 % (точка S); лінія ES і зумовлює граничну розчинність вуглецю в γ-залізі для різних температур. Отже, по лінії ES у місці критичних точок Аст з аустеніту випадає вуглець. Проте вуглець в аустеніті
Розчинений не у вигляді чистого вуглецю, а у вигляді цементиту, тому він у такому стані й випадає. Цементит, що виділяється з аустеніту по лінії ES, називають вторинним цементитом (Цвт). По лінії GS (геометричному місці точок Ас3) з аустеніту виділяється
Ферит (Ф) (майже чисте залізо). Отже, в точці S утворюється евтектика, що складається з фериту та цементиту і називається перлітом (П). На відміну від першої евтектики (ледебуриту), цю евтектику називають евтектоїдом. Такий евтектоїд, що складається з суміші фериту і цементиту, називають перлітом.
Із діаграми видно, що перліт має завжди постійний склад (0,8 % вуглецю) і сталу найнижчу температуру перетворення 727 °С (місці критичних точок Ас1).
Сталь, склад якої відповідає точці S (0,8 % С), називається евтектоїдною і має структуру чистого перліту (рис. 2.23, д). Перліт складається з ряду найдрібніших смужок фериту і цементиту, що якнайтісніше змішані між собою.
Сталь із вмістом вуглецю менш як 0,8 % (зліва від точки S) називається доевтектоїдною і має структуру, що складається з перліту і фериту. Структуру доевтектоїдної сталі з вмістом вуглецю 0,35 % зображено на рис. 2.23, г. Тут чорні плями відображають перліт, а світлі — ферит.
Сталь із вмістом більше ніж 0,8 % вуглецю (праворуч від точки S) називається заевтектоїдною і має структуру, яка складається з перліту і цементиту. З віддаленням від точки S наявність цементиту збільшується, а з наближенням до точки S у ній більше перліту. На рис. 2.23, е зображено структуру сталі з 1,2 % вуглецю; тут чорне поле — перліт, світла сітка — цементит.
