Желязо-въглеродни сплави

Желязо-въглеродна диаграма 

Тъй като въглеродът е един от най-важните елементи в железните сплави и той оказва силно влияние върху техните качества, желязо-въглеродната диаграма е основата за изучаване на желязо-въглеродните сплави – стомана и чугун. Както всички диаграми на състоянията, желязо-въглеродната диаграма ни дава зависимостта на структурата от химическия състав и температурата на определената сплав. Представяме ви опростен вид на схемата. 

Fe-C diagram 

По абсцисата на диаграмата отляво надясно е нанесено съдържанието на въглерод, а в обратна посока – съдържанието на желязо. Това ще рече, че в точка 0 има чисто желязо (100% желязо и 0% въглерод), а във всяка следваща точка (вдясно от точка 0) съдържанието на желязо намалява, а това на въглерода нараства. (общата сума на двата елемента във всяка точка е 100%) В желязо-въглеродните сплави въглеродът се среща или във формата на графит (несвързан) или свързан със желязото под формата на железен карбид. Железният карбид представлява съердинение на желязото с 6,67% въглерод. Следователно в заисимост от състоянието на въглерода се различават два вида желязно-въглеродни диаграми: метастабилна – желязо-железен карбид, и стабилна – желязо-графит. По ординатата на диаграмата са нанесени температурата и съответно точките на полиморфно превръщане на чистото желязо, които оказват съществено влияние върху структурата на желязо-въглеродните сплави.Това са: точка М при 768 градуса – преминаване на α – магнитно в α – немагнитно (нарично още β- желязо); точка G при 906 градуса – превръщане на α – немагнитно в γ-желязо; точка А – при 1535 градуса – стопяване на желязото. По отделните линии лежат точки, ограничаващи температурния интервал в който се извършват определени фазови промени. Така при достигане на линията ACD започва, а при достигане на линията AECF завършва кристализационнния процес. В областите, заключени между тези две линии се намират в равновесие стопилка и кристали. Това са линиите, ограничаващи температурния интервал на втвърдяване. Линията ECF се нарича евтектична линия, а точката C – евтектична точка. Лиията PSK се нарича евтектоидна линия, а точката S  евтектоидна точка. Както тези, така и останалите линии (линия ES, линия GS, линия GPO) се наричат линии на фазови превръщания; те ограничават области в които се образуват определени фази и структурни съставни на желязо-въглеродните сплави, както това е посочено в диаграмата.

 Структурни елементи на желязо-въглеродните сплави. 

Различаваме следните елементи на структурата (структурни съставки) на желязо-въглеродните сплави:

Ферит. Феритът представлява твърд разтвор от въглерод в α-желязо, който съдържа и други метални примеси. Притежава пространствено-центрирана кубична кристална решетка и е мек и пластичен. Максимално α-желязото може да разтваря 0,003% въглерод при 723°C.

Циментит.  Циментитът (железният карбид) представлява химическо съединение на желязото с 6,67% въглерод. Отличава се с много голяма твърдост и крехкост. В зависимост от начина по който е получен в структурата на желязо-въглеродните сплави, различаваме, първичен, вторичен и третичен циментит. Първичният се получава при кристализацията напрово от стопилката, а вторичният и третичният – чрез отделяне в твърдо състояние от аустенита. Циментита се стопява при 1550°C.

Аустенит. Аустенитът представлява твърд разтвор от въглерод в γ-желязо. Освен въглерод, той може да съдържа и други елементи. Максималното съдуржание на въглерод в аустенита е 1,7% при 1130°C. Аустенитът при особени примеси е стабилен само при високи температури. При ниски температури се разпада в перлит.

Перлит. Перлитът представлява кристална смес от ферит и циментит. Получава се при евтектоидното разпадане на аустенита при постоянна температура 723°C. Чист перлит се получава при желязо въглеродна сплав (стомана) със 0,83% въглерод. В зависимост от скоростта на охлаждане перлитът може да бъде зърнест или пластинчат. Зърнестият се получава при по-бавно, а пластинчатият при по-бързо охлаждане на сплавта.Тъй като в перлита количеството на ферита е значително по-голямо от това на циментита, като структурна съставка той е мек и пластичен.

Лебедурит. Лебедуритът представлява кристална смес на аустенит със 1,7% въглерод и циментит. Получава се при евтектичното втвърдяване на сплав (чугун) с 4,29% въглерод.

Графит. Като структурна съставка графитът се явява в желязо-въглеродните сплави, когато въглеродът не се свързва с желязото под формата на железен карбид. Обикновено се разполага във вид на гнезда в металната маса. Понижава значително механичните свойства на метала.

 Разпределение на желязо-въглеродните сплави според диаграмата желязо-въглерод.

 Като се изхожда от въглеродното съдържание и желязо-въглеродната диаграма, желязо-въглеродните сплави се делят на стомани – до 1,7% въглерод, и чугун от 1,7 до 6,67% въглерод. От своя страна стоманите се разделят на подевтектоидни, евтектоидни и надевтектоидни. Подевтектоидните стомани са тези, които съдържат до 0,83% въглерод, евтектоидни – тези с 0,83% въглерод и надевтектоидни – тези, които съдържат от 0,83% до 1,7% въглерод. Чугуните също се делят на три групи – подевтектични, евтектични и надевтектични. Подевтектични – със съдържание от 1,7 до 4,29% въглерод, евтектични – тези с 4,29% въглерод и надевтектични - които съдържат от 4,29 до 6,67%  въглерод. В зависимост от състоянието на въглерода чугуните се разделят на сиви и бели чугуни. При сивите чугуни въглеродът е несвързан – във вид на графит, а при белите чугуни той е свързан като железен карбид – циментит.