нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Залізовуглецеві сплави

   
 

Залізовуглецеві сплави, сплави заліза з вуглецем на основі заліза. Варіюючи склад і структуру, отримують Ж. с. з різноманітними властивостями, що робить їх універсальними матеріалами. Розрізняють чисті Ж. с. (Зі слідами домішок), отримувані в невеликих кількостях для дослідницьких цілей, і технічні Ж. с. - Стали (до 2% С) і чавуни (св. 2 % С), світове виробництво яких вимірюється сотнями млн. т. Технічні Ж. с. містять домішки. Їх ділять на звичайні (фосфор Р, сірка S, марганець Mn, кремній Si, водень Н, азот N, кисень О), легуючі (хром Cr, нікель Ni, молібден Mo, вольфрам W, ванадій V, титан Ti, кобальт З, мідь Cu та ін) і модифікують (магній Mg, церій Ce, кальцій Ca та ін.) У більшості випадків основою, що визначає будову і властивості сталей і чавунів, є система Fe - С. Початок науковому вивченню цієї системи поклали російські металурги П. П. Аносов (1831) і Д. К. Чернов (1868). Аносов вперше застосував мікроскоп при дослідженні Ж. с., А Чернов встановив їх кристалічну природу, виявив дендритну кристалізацію і відкрив в них перетворення в твердому стані. Із зарубіжних вчених, що сприяли створенню діаграми стану Fe - З сплавів, слід зазначити Ф. Осмонда (Франція), У. Ч. Робертса-Остена (Англія), Б. Розебома (Голландія) і П. Геренса (Німеччина).

Фазові стану Ж. с. при різних складах і температурах описуються діаграмами стабільного ( рис. 1 , а) і метастабільного ( рис. 1 , б) рівноваг. У стабільному стані в Ж. с. зустрічаються рідкий розчин вуглецю в залозі (Ж), три твердих розчину вуглецю в поліморфних модифікаціях заліза (табл. 1)

Табл. 1. - Кристалічні фази залізовуглецевих сплавів

Назва

фази

Природа фази

Структура


a-ферит

Твердий розчин впровадження вуглецю в a-Fe


Об'емноцен
лися кубічна

Аустеніт


Твердий розчин впровадження вуглецю в g-Fe

Гранецентрі
рованная кубічна


d-ферит

Твердий розчин впровадження вуглецю в d-Fe


Об'емноцен
лися кубічна

Графіт


Поліморфна модифікація вуглецю

гексогональний шарувата

Цементит

Карбід заліза Fe 2C

Ромбическая

a-розчин (a-ферит), g-розчин (аустеніт) і d-розчин (d-ферит), і графіт (Г). У метастабільному стані в Ж. с. зустрічаються Ж, a-, g-, d-розчини і карбід заліза Fe 3 C - цементит (Ц). Області стійкості Ж. с. в однофазних і двофазних станах вказані на діаграмах. За деяких умов в Ж. с. можуть існувати в рівновазі і три фази. При температурах НВ можливо перітектіч. рівновагу d + g + Ж, E?C?F? - евтектичну стабільна рівновага g + Ж + Г; при ECF - евтектичну метастабільна рівновага g + Ж + Ц; при P'S'K '- евтектоїдна стабільна рівновага a + g + Г', при PSK - евтектоїдна метастабільна рівновага a + g+ Ц. Діаграми а и б викреслюється і в одній координатної системі ( рис. 1 , в). Така здвоєна діаграма наочно характеризує відносний зсув однотипних ліній рівноваги і полегшує аналіз Ж. с., Що містять стабільні і метастабільні фази одночасно.

Основною причиною появи в Ж. с. високовуглецевої метастабільною фази у вигляді цементиту є труднощі формування графіту. Утворення графіту в рідкому розчині Ж і твердих розчинах a і g пов'язане з практично повним видаленням атомів заліза з ділянок сплаву, де зароджується і росте графіт. Воно вимагає значних атомних пересувань. Якщо Ж. с. охолоджуються повільно або тривало витримуються при підвищених температурах, атоми заліза встигають віддалитися з місць, де формується графіт, і тоді виникають стабільні стани. При прискореному охолодженні і недостатніх витримках видалення малорухливих атомів заліза затримується, майже всі вони залишаються на місці, і тоді в рідких і твердих розчинах зароджується і зростає цементит. Необхідна для цього дифузія легкорухомих при підвищених температурах атомів вуглецю, що не вимагає великих витримок, встигає відбуватися і при прискореному охолодженні. Крім основних фаз, вказаних на діаграмах, в технічних Ж. с. зустрічаються невеликі кількості і ін фаз, поява яких обумовлена ??наявністю домішок. Часто зустрічаються сульфіди (FeS, MnS), фосфіди (Fe 3 P), оксиди заліза і домішок (FeO, MnO, Al 2O3, Cr 2O3, TiO 2 тощо), нітриди (FeN, AlN) та ін неметалеві фази. Точковими лініями на діаграмах відзначені точки Кюрі, що спостерігаються в Ж. с. у зв'язку с магнітними перетвореннями фериту (768 ° С) і цементиту (210? С).

Будова Ж. с. визначається складом, умовами затвердіння та структурними змінами в твердому стані. Залежно від вмісту вуглецю Ж. с. ділять на сталі і чавуни. Стали з концентрацією вуглецю, меншою ніж евтектоїдна S ' и S (табл. 2), називають доевтектоїдної, а більш високовуглецеві - заевтектоідних. Чавуни з концентрацією вуглецю, меншою ніж евтектична C1 и С, називають доевтектичних, а більш високовуглецеві - заевтектичних.

Табл. 2. - Координати точок діаграм Fe - З

Точка

Температура,? С

Концентрація вуглецю, сталей, що містять до 0,5% С, починається з випадання кристалів 8-розчину зазвичай у вигляді дендритів. При концентраціях вуглецю до 0,1% кристалізація закінчується утворенням однофазної структури d-розчину. Стали з 0,1-0,5% С після виділення деякої кількості 8-розчину випробовують перитектичне перетворення

A

+ d -> g. В інтервалі концентрацій 0,10-0,16% З воно приводить до повного затвердеванию, а в інтервалі 0,16-0,50% З кристалізація завершується при охолодженні до температури лінії

IE.

 

B

У Ж. с. з 0,5-4,26% З кристалізація починається з виділення g-розчину також у вигляді дендритів. Стали повністю тверднуть в інтервалі температур, обмеженому лініями

НД

 

IE,

прибрати однофазну аустенітну структуру. Твердіння ж чавунів, починаючись з виділення надлишкового (первинного) g-розчину, закінчується евтектичним розпадом залишку рідини по одному з трьох можливих варіантів:

? g

 

С

+ Г, Ж

? g

 

N

+ Ц

або

 

Н

? (+

Ц.

 

J

У першому випадку виходять т. н. сірі чавуни, в другому - білі, в третьому - половинчасті. В Залежно від умов кристалізації графіт виділяється у вигляді розгалужених (

рис. 2

 

G

, ж) або кулястих (

рис. 2

 

E'

, з) включень, а цементит - у вигляді монолітних пластин (

рис. 2

 

E

, і) або пророслих розгалуженим аустенітом ( т. н. ледебурит,

рис. 2

 

, к). В Ж. с., що містять більше 4,26-4,3% С, кристалізація переохолодженого нижче лінії

розплаву в умовах повільного охолодження починається з утворення первинного графіту розгалуженої або кулястої форми. В умовах прискореного охолодження (при переохолодженнях нижче лінії

DC

 

S

) утворюються пластини первинного цементиту (

рис. 2

 

P'

, л). При проміжних швидкостях охолодження виділяються і графіт, і цементит. Кристалізація заевтектичних чавунів, так само як і доевтектичних, завершується розпадом залишку рідини на суміш g-розчину з високовуглецевими фазами.

Будова затверділих Ж. с. істотно змінюється при подальшому охолодженні. Ці зміни обумовлені поліморфними перетвореннями заліза, зменшенням розчинності в ньому вуглецю, графітизацією цементиту. Структура може змінюватися в твердому стані в результаті процесів рекристалізації твердих розчинів, сфероїдизації кристалів (з неравноосних стають равноосной), коалесценції (одні кристали цементиту укрупнюються за рахунок інших) високовуглецевих фаз.

 

P

Поліморфні перетворення Ж. с.

пов'язані з перебудовами гранецентрированной кубічної (ГЦК) решітки g-Fe і об'емноцентрірованной решітки (ОЦК) a

 

і d-Fe Ж Залежно від умов охолоджування і нагрівання поліморфні перетворення твердих розчинів відбуваються різними шляхами. При невеликих переохолодженнях (і перегревах) має місце т. н. нормальна перебудова грат заліза, осуществляющаяся в результаті невпорядкованих індивідуальних переходів атомів від вихідної фази до утворюється; вона супроводжується дифузійним перерозподілом вуглецю між фазами. При великих швидкостях охолодження або нагрівання поліморфні перетворення твердих розчинів відбуваються бездіффузіонним (мартенситним) шляхом. Решітка заліза перебудовується швидким зсувними механізмом в результаті впорядкованих колективних зсувів атомів без дифузійного перерозподілу вуглецю між фазами. Наприклад, при загартуванню Ж. с. у воді g-розчин переходить в a-розчин того ж складу. Цей пересичений вуглецем a-розчин називають мартенситом ( рис. 2 , е). Перетворення при проміжних умов можуть поєднувати в собі сдвиговую перебудову решітки заліза з дифузійним перерозподілом вуглецю (бейнітне перетворення). формуються при цьому структури істотно різні. У першому випадку утворюються рівноосні з малим числом дефектів кристали твердого розчину ( рис. 2 и , а). У другому і третьому - голчасті і пластинчасті кристали ( рис. 2 Ж , е) з численними двійниками і лініями ковзання. Структура Ж. с. змінюється також і у зв'язку із зміною розчинності вуглецю в a-і g-залозі при охолодженні і нагріванні. При охолодженні розчини пересищается вуглецем і виділяються кристали високовуглецевих фаз (цементиту і графіту ). При нагріванні наявні високовуглецеві фази розчиняються в a-і g-фазах. Зародження і зростання кристалів цементиту в пересичених розчинах відбувається зазвичай з більшою швидкістю, ніж освіта графіту, і тому Ж. с. часто метастабільних. Залежно від переохолодження цементит, що виділяється з твердого розчину, може мати вигляд рівноосних кристалів, прикордонної сітки, пластин і голок ( рис. 2 , г, д). При високотемпературних витримках кристали цементиту Сфероідізірующій; може відбуватися і процес коалесценції. Якщо Ж. с., що містять цементит, тривало витримувати при підвищених температурах, відбувається графітизація - зароджується і зростає графіт, а цементит розчиняється, Цей процес використовується при виробництві виробів з графітизованих сталі і ковкого чавуну ( рис. 2 Ж , м). Важливу роль при формуванні структури Ж. с. у твердому стані грає евтектоїдний розпад т-розчину на a Г + розчин і високовуглецеву фазу. При дуже малих переохолодженнях утворюються ферит і графіт ( рис. 2 , м), при невеликому збільшенні переохолодження - ферит і сфероїдізірованний цементит ( рис. 2 , г), потім ( рис. 2 , в) суміш фериту і цементиту набуває пластинчаста будова перліту, тим більш тонке, чим більше переохолодження. При персохлажденіях, вимірюваних сотнями градусів, евтектоїдний розпад пригнічується, і g-розчин перетворюється в мартенсит ( рис. 2 , е). Будова Ж. с. можна змінювати в широких межах. Основними методами управління структурою Ж. с. є зміни хімічного складу, умов затвердіння, пластичної деформації, термічної і термомеханічної обробок. Міняючи фазовий склад, величину, форму, розподіл і дефектність кристалів, можна широко варіювати і властивості Ж. с. Наприклад, найважливіші при експлуатації Ж. с. механічні властивості змінюються в наступних межах: твердість від 60 до 800 HB D1C1; межа міцності 2Ї10 -3,5 Ї10 н / см (2Ї10 -3,5 Ї10

кгс / см

); відносне подовження від 0 до 70 %. Літ.: - Д. К. Чернов і наука про метали, під ред. Н. Т. Гудцова, Л.-М., 1950; Бочвар А. А., Металознавство, 5 вид., М., 1956; Лівшиць Б. Г., Металографія, М., 1963; Тиркель Е., Історія розвитку діаграми залізо - вуглець, пров. з пол., М., 1968; Бунін До П., Баранов А. А., Металографія, М., 1970.

К. П. Бунін. рис. 2, е). Превращения при промежуточных условиях могут совмещать в себе сдвиговую перестройку решётки железа с диффузионным перераспределением углерода (бейнитное превращение). Формирующиеся при этом структуры существенно различны. В первом случае образуются равноосные с малым числом дефектов кристаллы твёрдого раствора (рис. 2, а). Во втором и третьем - игольчатые и пластинчатые кристаллы (рис. 2, е) с многочисленными двойниками и линиями скольжения. Структура Ж. с. изменяется также и в связи с изменением растворимости углерода в a- и g-железе при охлаждении и нагревании. При охлаждении растворы пересыщаются углеродом и выделяются кристаллы высокоуглеродистых фаз (цементита и графита). При нагревании имеющиеся высокоуглеродистые фазы растворяются в a- и g-фазах.

Зарождение и рост кристаллов цементита в пересыщенных растворах происходит обычно с большей скоростью, чем образование графита, и поэтому Ж. с. часто метастабильны. В зависимости от переохлаждения цементит, выделяющийся из твёрдого раствора, может иметь вид равноосных кристаллов, пограничной сетки, пластин и игл (рис. 2, г, д). При высокотемпературных выдержках кристаллы цементита сфероидизируются; может происходить и процесс коалесценции. Если Ж. с., содержащие цементит, длительно выдерживать при повышенных температурах, происходит графитизация - зарождается и растет графит, а цементит растворяется, Этот процесс используется при производстве изделий из графитизированной стали и ковкого чугуна (рис. 2, м). Важную роль при формировании структуры Ж. с. в твёрдом состоянии играет эвтектоидный распад т-раствора на a-раствор и высокоуглеродистую фазу. При очень малых переохлаждениях образуются феррит и графит (рис. 2, м), при небольшом увеличении переохлаждения - феррит и сфероидизированный цементит (рис. 2, г), затем (рис. 2, в) смесь феррита и цементита приобретает пластинчатое строение перлита, тем более тонкое, чем больше переохлаждение. При персохлаждениях, измеряемых сотнями градусов, эвтектоидный распад подавляется, и g- раствор превращается в мартенсит (рис. 2, е). Строение Ж. с. можно изменять в широких пределах. Основными методами управления структурой Ж. с. являются изменения химического состава, условий затвердевания, пластической деформации, термической и термомеханической обработок. Меняя фазовый состав, величину, форму, распределение и дефектность кристаллов, можно широко варьировать и свойства Ж. с. Например, важнейшие при эксплуатации Ж. с. механические свойства изменяются в следующих пределах: твёрдость от 60 до 800 HB; предел прочности 2Ї104-3,5Ї106 н/см2 (2Ї103-3,5Ї105 кгс/см2);относительное удлинение от 0 до 70%.

Лит.: Д. К. Чернов и наука о металлах, под ред. Н. Т. Гудцова, Л.-М., 1950; Бочвар А. А., Металловедение, 5 изд., М., 1956; Лившиц Б. Г., Металлография, М., 1963; Тыркель Е., История развития диаграммы железо - углерод, пер. с польск., М., 1968; Бунин К. П., Баранов А. А., Металлография, М., 1970.

© К. П. Бунин.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка