Конструкции от желязо-въглеродни сплави
Желязо-въглеродните сплави - стомани и чугуни - са най-важните метални сплави на съвременната технология. Производството на желязо и стомана надвишава производството на всички останали метали, взети заедно, повече от десет пъти.
Диаграмата на състоянието на желязо - въглерод дава основна представа за структурата на желязо-въглеродните сплави - стомани и чугуни.
Началото на изследването на диаграмата желязо-въглерод е положено от Чернов Д.К. през 1868 г. Чернов е първият, който посочва съществуването на критични точки в стоманата и зависимостта на тяхното положение от съдържанието на въглерод.
Диаграмата на състоянието желязо-циментит е показана на фиг. 9.1.
Ориз. 9.1. Диаграма на състоянието желязо - цементит
Компоненти и фази на желязо-въглеродни сплави
Компонентите на желязо-въглеродните сплави са желязо, въглерод и цементит.
1. Желязотое сребристо-лек преходен метал. Има висока точка на топене - 1539 oC5 oC.
В твърдо състояние желязото може да бъде в две модификации. Полиморфните трансформации протичат при температури от 911 oCи 1392 oC. Под 911°Cима центрирана в тялото кубична решетка. В температурния диапазон 911 ... 1392 oCе стабилен с гранецентрирана кубична решетка. Над 1392 oCжелязото има обемно центрирана кубична решетка и се нарича или високотемпературно. Високотемпературната модификация не представлява нова алотропна форма. Критичната температура от 911 o С на трансформацията е означена с точка, а температурата от 1392 oCна трансформацията - с точкаA4.
При температури под 768 oCжелязото е феромагнитно, а по-високо - парамагнитно. Точката на Кюри на желязото 768 oCсе обозначава сA2.
Желязото с техническа чистота има ниска твърдост (80 HB) и якост (якост на опън - , граница на провлачване -) и високи характеристики на пластичност (относително удължение - и относително стесняване -). Свойствата могат да варират в определени граници в зависимост от размера на зърното.
Желязото се характеризира с висок модул на еластичност, чието присъствие се проявява и в сплави на негова основа, осигурявайки висока твърдост на частите, изработени от тези сплави.
Желязото образува разтвори с много елементи: с метали - заместващи разтвори, с въглерод, азот и водород - интерстициални разтвори.
2. Въглеродътсе отнася до неметали. Има полиморфна трансформация, в зависимост от условията на образуване съществува под формата на графит с шестоъгълна кристална решетка (точка на топене -35000C, плътност -2,5 g/cm3) или под формата на диамант със сложна кубична решетка с координационно число равно на четири (точка на топене -500 00C).
В желязо-въглеродните сплави въглеродът е в състояние на твърд разтвор с желязото и под формата на химично съединение - цементит (Fe3C), както и в свободно състояние под формата на графит (в сивите чугуни).
3. Цементит (Fe3C) –химическо съединение на желязо и въглерод (железен карбид), съдържа6,67%въглерод.
Не изпитва алотропни трансформации. Кристалната решетка на цементита се състои от поредица от октаедри, чиито оси са наклонени една спрямо друга.
Точката на топене на цементита не е точно установена (1250, 1550 oC). При ниски температури цементитът е слабо феромагнитен, той губи магнитните си свойства при температура около 217 oC.
Цементитът има висока твърдост (повече от800 HB, леснодраскотини по стъкло), но изключително ниска, почти нулева пластичност. Такива свойства са следствие от сложната структура на кристалната решетка.
Цементитът е способен да образува заместващи твърди разтвори. Въглеродните атоми могат да бъдат заменени с неметални атоми: азот, кислород; железни атоми - метали: манган, хром, волфрам и др. Такъв твърд разтвор на основата на цементитната решетка се наричалегиран цементит.
Цементитът е нестабилно съединение и при определени условия се разлага с образуването на свободен въглерод под формата на графит. Този процес има голямо практическо значение при структурообразуването на чугуните.
В системата желязо-въглерод съществуват следните фази: течна фаза, ферит, аустенит, цементит.
1. Течна фаза. В течно състояние желязото лесно разтваря въглерод във всякакви пропорции с образуването на хомогенна течна фаза.
2. Ферит (F)(C) -твърд разтвор на включване на въглерод в желязото.
Феритът има променлива ограничаваща разтворимост на въглерода: минимумът е0,006%при стайна температура (точкаQ), максимумът е0,02%при температура от 727 oC(точкаP). Въглеродът се намира в дефекти на решетката.
При температури над 1392 oCима високотемпературен ферит () ((C), с ограничаваща разтворимост на въглерод0,1%при температура от 1499 oC(точкаJ)
Свойствата на ферита са близки до тези на желязото. Той е мек (твърдост -130 HB, якост на опън -) и пластичен (удължение -), магнитен до 768 oС.
3. Аустенит (А)(С)е твърд разтвор на вграждане на въглерод в желязото.
Въглеродът заема място в центъра на гранецентрирана кубична клетка.
Аустенитът има променлива ограничаваща разтворимоствъглерод: минимум -0,8%при температура 727 oC(точкаS), максимум -2,14%при температура 1147 oC(точкаE).
Аустенитът има твърдост200…250 HB, е пластичен (относително удължение –) и е парамагнитен.
При разтваряне на други елементи в аустенит, свойствата и температурните граници на съществуване могат да се променят.
4. Цементит -характеристиката е дадена по-горе.
В сплавите желязо-въглерод присъстват следните фази: първичен цементит(CI),вторичен цементит(CII),третичен цементит (CIII). Химичните и физичните свойства на тези фази са еднакви. Механичните свойства на сплавите се влияят от разликите в размера, количеството и местоположението на тези утайки. Първичният цементит се отделя от течната фаза под формата на големи ламеларни кристали. Вторичният цементит се отделя от аустенита и се подрежда под формата на решетка около аустенитни зърна (при охлаждане около перлитни зърна). Третичният цементит се отделя от ферита и се намира под формата на малки включвания по границите на феритните зърна.