Важко уявити сучасне будівництво, техніку, машинобудування і інші найважливіші галузі без застосування головних металевих сплавів із сталі і чавуну. Їх виробництво перевищує всі інші в десятки разів. Якщо розглянути сталь і чавун з точки зору такої науки, як металознавство, то центральною фігурою постає діаграма стану сплавів залізо-вуглець, яка дозволяє отримати докладні уявлення про склад і структурних перетворень у 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 цього моменту відкриття і починає своє життя така наука, як металографія. Діаграма сплавів заліза з вуглецем є результатом копіткої праці вчених кількох країн світу. Усі літерні позначення головних точок і фаз в діаграмі є інтернаціональними.

Поняття діаграми

Графічне зображення процесів, що відбуваються в сплаві 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 - 786 г/см3. Має температуру плавлення 1539° С. При взаємодії заліза та інших металів утворюються сполуки, звані розчинами заміщення. Якщо з неметалами, наприклад з вуглецем або воднем, то - розчинами впровадження. Залізо має здатність, будучи споконвічно твердим, перебувати в декількох станах, які в металознавстві прийнято називати "альфа" і "гамма". Це якість називається поліморфізмом. Про це далі в статті. Вуглець – це металоїд. Якщо він виступає як графіт, то температура плавлення дорівнює 3500° с. Якщо як алмаз - 5000° С. Щільність вуглецю - 25 г/см 3 . Він також має полиморфическими властивостями. У сплавах залізо-вуглець цей елемент утворює твердий розчин, у складі якого є ферум, званий цементитом (Fe 3 C). Також формує графіт в чавунах.

Діаграма сплаву залізо-вуглець

У результаті взаємодії складових діаграми один з одним, виходить цементит – хімічна сполука. Як правило, при вивченні діаграми студентами-металловедами, всі 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 діаграми накреслити 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 детальніше саме графічне зображення діаграми стану залізо-вуглець. По-перше, вона має дві форми (частини):

залізо-цементит;

залізо-графіт.

По-друге, сплави, в яких головними "дійовими особами" є ферум і вуглець, умовно ділять на:

сталі;

чавуни.

Якщо вуглецю в сплаві менше або дорівнює 214 % (точка Е на графіку), то це сталь, якщо більше 214 % – чавун. З цієї причини і поділяють діаграму на дві фази.

Поліморфні перетворення

Більш детально про кожній фазі трохи нижче в статті. А якщо коротко, то здійснення головних перетворень відбувається за особливих температурах. Стан заліза позначають як ?-ферум (при температурі менше 911° С) . Кристалічна решітка – об'ємний гранецентрированний куб. Або ОЦК. Дистанція між атомами такої решітки досить висока. Залізо набуває модифікацію гамма, тобто позначається як ?-ферум (911-1392° С) . Кристалічна решітка - гранецентрированний куб (ГЦК). У цій решітці дистанція між атомами нижче, ніж у ОЦК. При переході ?-феррума в ?-ферум об'єм речовини стає меншим. Причиною тому є кристалічна решітка – її вид. Тому що ГЦК-решітка має більш впорядкований стан атомів, ніж ОЦК. Якщо перехід здійснюється в зворотному напрямку - з ?-феррума в ?-ферум, то обсяг сплаву збільшується. Коли температура досягає значення 1392° С (але менше температури плавлення заліза 1539° С), то ?-ферум перетворюється в ?-ферум, але це не є її новою формою, а лише різновидом. До того ж ?-ферум є нестійкою структурою.

Властивості технічно чистого заліза

Магнітні властивості заліза при різних температурах:

менш 768° С – феромагнітної;

понад 768° С – парамагнитно.

А температурну точку 768° С називають точкою магнітного перетворення, або точкою Кюрі. Властивості технічно чистого заліза:

твердість – 80 НВ;

тимчасовий опір - 250 МПа;

межа текучості – 120 МПа;

відносне подовження 50 %;

відносне звуження – 80 %;

високий модуль пружності.

Карбід заліза

Графічний вигляд складової частини діаграми залізо-вуглець: Fe3C. Речовина називається карбідом заліза, або цементитом. Для нього характерно:

Вміст вуглецю 667 %.

Питома вага - 782 %.

Кристалічна решітка має ромбічну форму, що складається з октаэдров.

Плавлення відбувається при температурі ?1260° С.

Низькі феромагнітні властивості при зниженій температурі.

Твердість – 800 НВ.

Пластичність практично дорівнює нулю.

Карбід заліза утворює тверді розчини заміщення, 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 – це нестабільна фаза, а графіт – стабільна. Оскільки перша речовина являє собою нестійке з'єднання, розпадаючись при певних температурних умовах.
Діаграми залізо-вуглець є такі стани:

рідка фаза;

ферит;

аустеніт;

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 по процентному вмісту. В результаті утворюється однорідна рідка маса.

Ферит

Є твердим розчином впровадження вуглецю в ?-ферруме. Також може бути включено невелика кількість домішок. Але ферит має майже однакові якості, як і чисте залізо. Якщо розглянути структуру під мікроскопом, то можна побачити полиэдрические зерна світлого тону. Буває:

низькотемпературний (при температурі 727° С розчинність вуглецю 002 %);

високотемпературний (при 1499° С розчинність вуглецю 01 %), або його називають ?-ферум.

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 в ?-ферруме. Також можуть бути в невеликій кількості домішки. У кристалічній решітці вуглець знаходиться в центрі ГЦК осередку. При розгляді структури аустеніту під мікроскопом, видно як світлі зерна полиэдрической форми з двійниками. Володіє наступними характеристиками:

Розчинність вуглецю в ?-ферруме 214 % (при температурі 1147° З).

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 частинок, їх кількість і розташування. Також по діаграмі видно, що:

Ц1 утворюється з рідкого стану (під мікроскопом видно як він 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 присутня у всіх сплавах з вмістом вуглецю 002-667 %. Ледебурит - суміш аустеніту і цементиту. Він утворюється з рідкої фази при охолодженні до температури нижче 1147° С.

Чавуни

Сплави на діаграмі залізо-вуглець, які містять вуглецю більше, ніж 214 % називаються чавунами. Вони володіють високою крихкістю. Поперечний переріз такого чавуну має світлий тон, а тому його називають білим чавуном. На графіку це точка С, звана эвтектикой, з відповідним вмістом вуглецю 43 %. При кристалізації утворюється суміш, що складається з аустеніту і цементиту, що в сукупності називається ледебуритом. Фазовий склад постійний. При концентрації вуглецю менше 43 % (доэвтектический 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 заэвтектическом білому чавуні (вуглецю більше 43%) 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 рівновага може бути наближене до абсолютного, але при певних умовах: досить повільного підвищення або пониження температури сплаву, який буде довго триматися за часом.