Железо и его соединения с углеродом

К железоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основ­ными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, является железо и углерод.

Железо может находиться в двух аллотропических формах – α и γ.
Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химические соединения, α-железо растворяет углерода очень мало (до 0,02 % при температуре 727 °С).

Твердый раствор углерода и других элементов в α-железе называется ферритом. Структура феррита показана на рис. 28, а. Феррит имеет низкую твер­дость и прочность: 80 НВ; σ_в=250 МПа (25 кгс/мм²) и высо­кую пластичность и вязкость (δ = 50 %; ψ = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м²). Поэтому технически чистое железо, структура которого представляет зерна феррита, хорошо подвергается холодной деформации, т. е. хорошо штампуется, прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в железоуглеродистых сплавах, тем они пластич­нее.

Рис. 28. Микроструктура: а – феррит, X 200; б – аустенит, X 500; в – цементит (в виде сетки), X 500

В значительно больших коли­чествах растворяет углерод γ-железо (до 2,14 % при температуре 1147 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе называется аустенитом. Характерная особенность аустенита заключается в том, что он в железоуглеродистых сплавах может существовать только при высоких температурах. Как и всякий твердый раствор, аустенит имеет микроструктуру, представляющую собой зерна твердого раствора (рис. 28, б). Аустенит пластичен δ = 40 – 50 %, а твердость его составляет 160 – 200 НВ.

Железо с углеродом также образуют химическое соединение Fe₃C, называемое цементитом или карбидом железа. В цементите 6,67 % С; он имеет высокую твердость (более 800 НВ), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Чем больше цемен­тита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. При микроскопическом ис­следовании цементит выявляется в виде светлых кристаллов (сетка на рис. 28, б). Цементит неустойчив (метастабилен) и при определенных условиях может распадаться, выделяя свободный углерод в виде графита.

3.2. Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы (fe – Fe₃C)

Диаграмма состояния Fe – Fe₃C приве­дена на рис. 29. На этой диаграмме точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (≈1600 °С) – температуре плавления (затвердевания) цементита. Линия AВCD – это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии AВCD – сплав жидкий. Линия AНJECF – это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).

Рис. 29. Диаграмма состояния Fe – Fe₃C

По линии ликвидуса АВС (при температурах, соответствующих линии АВС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по ли­нии ликвидуса CD – цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при температуре 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и це­ментит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса АHJЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с об­разованием структуры аустенита. На линии солидуса ЕС (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % окончательно за­твердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аусте­нит, следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют струк­туру аустенит + ледебурит.

На линии солидуса CF (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру – первичный цементит + ледебурит.

В области АВСЕJHА, между линией ликвидуса АС и солидуса АHJЕС, имеется жидкий сплав + кристаллы аустенита; в области CDF, между линией ликвидуса CD и солидуса CF, – жидкий сплав + кристаллы цементита (первичного).

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с со­держанием углерода до 2,14 % образуется однофазная структура – аустенит.

Сплавы железа с углеродом, в которых в результате пер­вичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями. Следовательно, сталь – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами. Следовательно, чугун – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоя­нии характеризуют линии GSE, PSK, PQ.

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP имеется структура аустенит + феррит. Критические точки, лежащие на линии GS обозначают А₃; при нагреве их обозначают Ас₃, а при охлаждении – Аr₃. Линия SE показывает, что с понижением температуры раство­римость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147 °С в аустените может раствориться углерода 2,14 %, а при 727 ° С – 0,8 %. С понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727 °С) сталь имеет структуру: аустенит + цементит вторичный.

Критические точки, лежащие на линии SE, обозначаются А_ст. В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147 °С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже выделяется вторичный цементит. Следовательно, ниже линии ЕС (до температуры 727 °С) белый чу­гун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вто­ричный.

Линия PSK (727 °С) – это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит рас­падается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом. Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначаются А₁, при нагреве их обозначают Аc₁ а при охлаждении – Аr₁.

Ниже 727 °С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры. Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, имеют струк­туру феррит + перлит и называются доэвтектоидными сталями (рис. 30, а).

Рис. 30. Микроструктура стали: а – доэвтектоидная сталь, феррит (светлые участки) и перлит (темные участки), X 500; б – эвтектоидная сталь, перлит X 1000; в – заэвтектоидная сталь, перлит и цементит (в виде сетки) X 200

Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью (рис. 30, б).

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % имеют структуру перлит + цементит (вторичный) и называются заэвтектоидными сталями (рис. 30, в).

Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % имеют структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит и назы­ваются доэвтектическими чугунами (рис. 31, а).

Белый чугун с содержанием угле­рода 4,3 % имеет структуру ледебу­рита и называется эвтектическим чу­гуном (рис. 31, б).

Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % имеют струк­туру цементит первичный + ледебу­рит и называются заэвтектическими чугунами (рис. 31, в).

Рис. 31. Микроструктура белого чугуна: а – доэвтектический чугун, перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), X 500; б – эвтектический чугун, ледебурит (темные участки – перлит, светлые – цементит), X 1000; в – заэвтектический чугун, цементит (светлые пла­стины) и ледебурит, X 500

Рис. 32. Микроструктура низко­углеродистой стали (по границам зерен феррита третич­ный цементит)

Линия PQ (см. рис. 29) показывает, что с понижением температуры раство­римость углерода в феррите умень­шается от 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при комнатной температуре. При ох­лаждении ниже температуры 727 °С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называе­мого третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом тре­тичный цементит структурно не выявляется.

Однако в низкоугле­родистых сталях в условиях медленного охлаждения третичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 32), уменьшая пластические свойства стали, особенно ее способность к холод­ной штамповке.