Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов, вместе взятых, более чем в десять раз.

Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит Fe₃C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с долей углерода до 5 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита с долей 6,67 % углерода (рис. 5.1).

 

Рис. 5.1. Диаграмма состояния железо – цементит

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – (1539 ± 5) °С – точка А диаграммы.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при значениях температуры 911 °С (точка G диаграммы) и 1392 °С ( точка N). При температуре ниже 911 °С существует Fe_α с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале значения температур 911 – 1392 ^oС устойчивым является Fe_γс гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Fe_δили высокотемпературное Fe_α. Высокотемпературная модификация Fe_α не представляет собой новой аллотропической формы. Критическое значение температуры 911 °С превращения Fe_α ↔ Fe_γобозначают точкой A ₃, а температуру 1392 °Спревращения Fe_α ↔ Fe_γ– точкой А ₄. При значении температуры ниже 768 °С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768 ^oС обозначается А ₂.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (НВ 80) и прочностью (предел прочности σ _в =250 МПа, предел текучести σ _т =120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение δ=50 %, а относительное сужение ψ=80 %). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от размера зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов. Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления 3500 °С, плотность 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом,  равным четырем (температура плавления 5000 °С). Графит мягок, прочность его низкая, химически стоек и электропроводен.

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1550 °С – точка D диаграмм ы). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217 °С.

Цементит имеет высокую твердость (более НВ800, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В системе Fе – Fе₃С существуют следующие фазы: жидкая фаза, твердые растворы (феррит, аустенит), химическое соединение (цементит) и свободный углерод в виде графита. Кроме того, к структурным составляющим относят перлит и ледебурит – механические смеси.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф)обозначаетсяFe_α (C) – твердый раствор внедрения углерода в a-железе.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727 °С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392 °С существует высокотемпературный феррит δ или Fe_δ (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499 °С (точка J). Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – НВ 130, предел прочности σ _в =300 МПа) и пластичен (относительное удлинение δ=30 %), магнитен до 768 °С.

3. Аустенит(А) обозначается Fe_γ(С) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727 °С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147 °С (точка Е). Имеет твердость НВ 200 – 250, пластичен (относительное удлинение δ=40…50 %), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4.Цементит – характеристика дана выше. В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I),цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен. Цементит, феррит, аустенит являются однофазными структурными составляющими.

Линия АВСD – линия ликвидуса системы. Линия AHJECF – линия солидуса. На участке АВ начинается кристаллизация феррита δ, на участке ВС – кристаллизация аустенита. По линии HN начинается превращение феррита δ в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита δ в аустенит заканчивается. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита δ. На линии HJB при постоянной температуре 1499 °С идет перитектическое превращение, заключа-ющееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшими-ся кристаллами феррита δ, в результате чего образуется аустенит. На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита.

 Ж+Ф →А.

Смеси. При температуре 1147 °Св сплавах с массовой долей углерода 2,1 4% и более из жидкого состояния образуется эвтектика. Эвтектическое превращение происходит при постоянном значении температуры на участке ECF. Напомним, что при э втектическом превращении одновременно существуют три фазы: жидкая и две твердые, т.е. число степеней свободы С = 0.

Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом и содержит 4,3 % углерода. Ледебурит (по имени немецкого ученого Ледебурита) представляет собой смесь аустенита и цементита первичного, данное превращение можно записать формулой:

Ж_4,3 → Л (A_2,14 + Ц _I ).

Цифры в индексах означают долю углерода в соответствующих фазах в момент превращения.

Конода при температуре 1147 °С совпадает с линией диаграммы ECF. Ледебурит имеет высокую твердость (HV550), очень хрупок. По линии PSK при постоянной температуре 727 °С в сплавах с долей углерода 0,02 % и более аустенит превращается в смесь феррита и цементита, причем фазы выделяются одновременно. В превращении одновременно участвуют три фазы, т.е. оно происходит при постоянной температуре. Такое превращение из твердого раствора получило название эвтектоидног о в отличие от эвтектического, где исходная фаза – жидкость. Полученная смесь называется эвтектоидом.

В системе Fe – Fe₃C эвтектоид называется перлитом (П). Наз-вание получил за то, что на полированном и протравленном шли-фе наблюдается перламутровый блеск. Процесс превращения аустенита с 0,8 % углерода в перлит (эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного) записывается формулой

A_0.8 → П(Ф_0,02 + Ц _II ).

В зависимости от условий образования перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме. Содержание углерода в феррите соответствует точке Р, в цементите – точке К диаграммы. При температуре ниже 727 °С аустенит в ледебурите превращается в перлит, после охлаждения ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом.

Превращения, происходящие на горизонтальных линиях ЕСF и PSK, – это эвтектическое и эвтектоидное превращения. Таким образом, в структуре сплавов с долей углерода более 2,14 % (лежащих правее точки Е), будет присутствовать ледебурит, а в структуре сплавов с долей углерода более 0,02 % (лежащих правее точки Р) – перлит. По линии GS превращение аустенита в феррит обусловлено полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

Важное значение имеют наклонные линии диаграммы DC, EC, PQ. Все они показывают предельную растворимость углерода в жидкости, аустените и феррите соответственно. Это означает, что во время охлаждения сплавов с долей углерода более 4,3 % при достижении значения температуры, соответствующего линии DС, будет выделяться цементит вследствие уменьшения растворимости углерода в жидкой фазе. Этот цементит называется первичным (Ц₁). Кристаллы первичного цементита крупные, они выделяются из жидкости, которая не препятствует их росту.

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры. По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры. По линии МО при постоянном значении температуры 768 °С имеют место магнитные превращения.