Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом

Железо — пластичный металл серебристо-белого цвета с невысокой

твердостью (НВ 80). Температура плавления — 1539°С, плотность 7,83 г/см3.

Имеет полиморфные модификации (см. раздел 2.1.). С углеродом железо образует химическое соединение и твердые растворы.

Ферритом называется твердый раствор углерода в а- железе. Содержание

углерода в феррите очень невелико — максимальное 0,02% при температуре 727°С. Благодаря столь малому содержанию углерода свойства феррита совпадают со свойствами железа (низкая твердость и высокая пластичность). Твердый раствор углерода в высокотемпературной модификации Feα (т.е. в Feδ) часто называют δ- ферритом или высокотемпературным ферритом.

Рис. 13 Феррит

Аустенит — это твердый раствор углерода в γ- железе. Максимальное

содержание углерода в аустените составляет 2,14% (при температуре 1147°С). Имеет твердость НВ 220

Рис. 14 Аустенит

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид

железа) Fe3C. В нем содержится 6,67 % углерода (по массе). Имеет сложную

ромбическую кристаллическую решетку. Характеризуется очень высокой

твердостью (НВ 800), крайне низкой пластичностью и хрупкостью.

Рис. 15 Пластинчатый перлит

Рис. 16 Зернистый перлит

Перлит — это механическая смесь феррита с цементитом. Содержит 0,8%

углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита. Перлит является эвтектоидом.

Эвтектоид — это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого

раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3% углерода, образуется из жидкого сплава при

температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит, входящий в состав

ледебурита превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит

представляет собой механическую смесь перлита с цементитом. Фаза цементита имеет пять структурных форм: цементит первичный, образующийся из жидкого сплава; цементит вторичный, образующийся из

аустенита; цементит третичный, образующийся из феррита; цементит ледебурита; цементит перлита.

Диаграмма Fe-Fe₃C. На рис. 17 приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода

от 0 до 6,67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температуры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно международному стандарту и изменению не подлежит.

Точка	Температура при	нагреве, °С	Предельная концентрация
А			Температура плавления железа
В		0.51	Состав жидкой фазы при перитектической реакции
С		4.3	Состав эвтектики - ледебурита
D		6.67	Состав эвтектики - ледебурита
E		2.14	Предельная растворимость углерода в γ- железе
J		0.16	Состав аустенита при перитектической реакции
H		0.1	Состав феррита при перитектической реакции
N			Превращение δ - железа в γ - железо
G			Превращение α - железа в γ - железо
S		0.8	Состав эвтектоида - перлит
Р		0.025	Предельная растворимость углеро- да в α - железе
Q		0.01	Минимальная растворимость углерода в α - железе

Рис. 17 Диаграмма состояния железо-углерод

Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода делятся

на техническое железо (до 0,02% С), сталь (от 0,02 до 2,14 % С) и чугун (от 2,14 до 6,67% С). Сталь, содержащая до 0,8% С называется доэвтектоидной, 0,8% С — эвтектоидной и свыше 0,8% С — заэвтектоидной. Чугун, содержащий от 2,14 до 4,3% С называется доэвтектическим, ровно 4,3% — эвтектическим и от 4,3 до 6,67% С — заэвтектическим.

Структура техническою железа представляет собой зерна феррита или

феррит с небольшим количеством третичного цементита. Обязательной

структурной составляющей стали является перлит. Структура доэвтектоидной стали, состоит из равномерно распределенных зерен феррита и перлита. Эвтектоидная сталь состоит только из перлита. Структура заэвтектоидной стали представляет собой зерна перлита, окруженные сплошной или прерывистой сеткой вторичного цементита. Для чугуна характерно наличие ледебурита в структуре. Структура доэвтектического чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита, эвтектическою — из ледебурита и заэвтектического — из ледебурита и

первичного цементита. Значение диаграммы железо - цементит состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить режимы термической обработки для изменения свойств сталей.