Теоретические сведения. Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14% углерода, назы­ваются сталями, а свыше 2,14% -чугунами

Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14% углерода, назы­ваются сталями, а свыше 2,14% -чугунами.

Вследствие аллотропических свойств компонентов железоуглероди­стых сплавов (железа и углерода) в этих сплавах происходят структурные превращения не только при первичной кристаллизации, но и в твердом виде - при вторичной кристаллизации. Это приводит к изменениям физико-механических свойств железоуглеродистых сплавов под действием, времени, температур, нагрузок, что характерно при эксплуатации деталей, из этих сплавов

В зависимости от содержания углерода, температур и других эксплуа­тационных условий в железоуглеродистых сплавах образуются различные структуры. Ниже приводятся основные структурные составляющие железо­углеродистых сплавов (сталей и чугунов).

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в a-железо, имеющее кристаллическую решетку в виде объемно центрированного куба. Атом уг­лерода располагается в решетке a-железа в центре грани куба, а также в ва­кансиях, на дислокациях н т.д. Максимальное содержание углерода-0,025% при t=727°C, при комнатной температуре - 0,008%. Микроструктура зерни­стая - темная сетка по границам светлых зерен. Имеет высокую пластич­ность, вязкость и магнитные свойства, достаточно низкую прочность, твер­дость 80-90 НВ (рис. 1).

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ-железо, имеющее кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. Атом углеро­да в решетке γ-железа располагается в центре куба и в дефектных областях кристалла. При t=1147°C содержит 2,14% углерода. а при 727°С- 0,8%. Микроструктура - однородные зерна с двойниками - часть основного зерна в плоскости шлифа, ограниченная двумя параллельными зернами. Немагни­тен, очень пластичен, вязок, имеет среднюю прочность, твердость 170-220 НВ (рис.4.2).

Рисунок 1 – Микроструктура феррита

Рисунок 2 – Микроструктура аустенита

Перлит - механическая микросмесь феррита и цементита. Может быть пластинчатым, если пластинки цементита расположены в ферритной основе или зернистым, если цементит представляет собой микроскопиче­ские зерна (рис. 3 и 4). Это зависит от деформации структуры цементита(рис. 5). Перлит - эвтектоид (равновесная смесь феррита и цементита); содержит 0,8% углерода; имеет средние прочность и пластичность, твер­дость 200-250 НВ.

Рисунок 3 – Микроструктура пластинчатого перлита

Рисунок 4 – Микроструктура зернистого перлита

Цементит - химическое соединение –Fe₃С, содержащее 6,67% С. В за­висимости от деформации строения структуры (рис. 5) может присутство­вать в структурах сталей и чугунов в виде пластин, игл или зерен (рис.4.6 и 4.7). Имеет очень высокую прочность, твердость 800 НВ, износоустойчив, очень хрупок.

Ледебурит - механическая микросмесь аустенита и цементита (выше 727 °С) и цементита и перлита (ниже 727°С). Ледебурит - эвтектика; содер­жание углерода в ледебурите 4,3 %. Микроструктура состоит из светлой цементитной основы с темными округлыми выделениями перлита (рис.8), имеет высокую прочность, твердость 500 НВ, хрупок.

Рисунок 5 – Строение структуры цементита

Рисунок 6 – Микроструктура сетчатого цементита

Рисунок 7 – Микроструктура игольчатого цементита

Рисунок 8 - Микроструктура ледебурита

Графит - одна из кристаллических разновидностей углерода (гекса­гональная слоистая решетка), встречающихся в основном в чугунах. В серых чугунах он бывает в виде изогнутых пластин - (лепестков). В результате структурных превращений графит может принимать различные аллотропи­ческие формы - шарообразные, хлопьевидные или фуллеренные (фуллерены - открытая в конце 80-х годов аллотропическая форма углерода, представ­ляющая структуру из пятиугольников и шестиугольников в виде футбольно­го мяча). Более подробно они будут рассмотрены при изучении чугунов (рис. 9). Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов пред­ставлены в табл. 1.

Рисунок 9 - Микроструктура пластинчатого графита

Таблица 1 - Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Название структуры	Тип структуры	Число фаз	Содержание С,%	Свойства
Феррит	Твердый раствор С в α–железе		От 0,006 до 0,0025	Пластичен, непрочен, НВ 80-100 Ферромагнитен
Аустенит	Твердый раствор С в γ–железе		До 2,14	Очень пластичен, парамагнитен, НВ 170-220
Цементит	Fe3C		6,67	Очень хрупок, прочен, износоустойчив, НВ 800
Перлит	Смесь феррита и цементита		0,8	Средняя прочность и пластичность НВ 200-250
Ледебурит	Смесь аустенита и цементита (выше 727°C) и перлита и цементита (ниже 727°С)		4,3	Хрупок, НВ 500

Диаграмма железоуглеродистых сплавов, отражающая структурные превращения при различных температурах и различном процентном содержании углерода, представляет собой графическое изображение критических температур в зависимости от % содержания углерода. Оно охватывает сплавы, содержащие углерод от 0 до 6,67%.

Диаграмма является научным фундаментом для изучения сталей и чугунов и имеет как теоретическое, так и большое практическое значение.

Диаграмма строится так же, как все диаграммы состояния сплавов по кривым охлаждения (рис. 10)

Рисунок 10 - Часть диаграммы состояния Fe-C (первичная кристаллизация высокоуглеродистых сплавов

Существуют две диаграммы: “ железо- цементит” и “ железо - угле­род” Но наиболее практична первая диаграмма, подчеркивающая роль це­ментита в образовании структур железоуглеродистых сплавов (рис. 11).

Рисунок 11 - Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

На диаграмме по горизонтальной оси отложено %-ое содержание уг­лерода, по вертикальной - температура сплава. Линия ABCD (ликвидус) по­казывает температуру начала кристаллизации сплавов. Из жидкого раствора выделяются по линии АВ - феррит (Ф), JBC - аустенит (A), CD - цементит первичный (Ц).

AHJECF (солидус) - линия температур конца кристаллизации сплава. Между линиями NJE и GSE сплавы состоят из аустенита. По линии ECF из жидкости состава точки С образуется эвтектика - ледебурит:

Ж_с → Л (А_е + Ц).

GSE - линия температур начала вторичной кристаллизации (распада аустенита). Линия GS показывает температуру начала выделения из аусте­нита феррита; линия SE соответствует температуре начала выделения из ау­стенита цементита вторичного (Ц_II). GPQ и PSK - линии температур конца перекристаллизации. PSK (727°С) - температура эвтектоидного превраще­ния: из аустенита, концентрации 0,8% С, образуется эвтектоид - перлит (П):

A_s → П (Ф_р + Ц_II).

Сплавы, содержащие до 0,8%С, называются доэвтектоидными (структура феррит и перлит); сплав, содержащий 0,8%С, называется эвтектоидным (структура перлит); сплавы, содержащие от 0,8 до 2,14%С, назы­ваются заэвтектоидными (структура перлит и цементит вторичный).

В сплавах, содержащих свыше 2,14%С ниже линии ЕС сплав состоит из аустенита, ледебурита и вторичного цементита. При дальнейшем охлаж­дении при достижении линии Е’С’ аустенит при постоянной температуре (727 °С) превращается в перлит Поэтому структура сплавов состава от 2,14 до 4,3%С ниже линии Е’С' состоит из перлита, вторичного цементита и ле­дебурита. Это - доэвтектические сплавы (чугуны). При содержании 4,3%С сплав имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим. Структура сплавов, содержащих, свыше 4,3%С, состоит из цементита первичного и ле­дебурита, они называются заэвтектическими.

При изучении диаграммы железо - цементит принято обозначать кри­тические температуры буквой А с указанием цифровым индексом вида ал­лотропического превращения. Перец цифрой при охлаждении сплава ставят букву г, а при нагреве - с. Например, превращения по линии GS- Ac₃ и Аr₃, по линии PSK – Ас₁, и Аr₁, по линии SE –А_ст.