Фазы железоуглеродистых сплавов

В сплавах железа с углеродом углерод находится в твердых растворах (феррит, аустенит), в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

В системе Fe-C 5 фаз:

1. Расплав;

2. Феррит (Ф);

3. Аустенит (А);

4. Цементит (Ц);

5. Графит (Гр)

и 2 механические смеси:

1. Перлит (П=Ф+ЦII);

2. Ледебурит (Л=А+ЦII).

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-Fe. Имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную 0,006% при комнатной температуре, максимальную – 0,02% при температуре 727 ℃. Углерод располагается, в основном, в дефектах кристаллической решетки (вакансиях, дислокациях). Чистый феррит пластичен, имеет небольшую прочность и твердость, магнитен, s_В=250 МПа, s_0,2=120 МПа, d=40%, y=70%, HB 80–100, KCU=2,5 МДж/м².

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe. Имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК), межатомные расстояния в которой больше чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в γ-Fe значительно выше и достигает 2,14%. Углерод занимает место в центре ГЦК-ячейки. Аустенит устойчив в железоуглеродистых сплавах при t>727°C. Легирование его Mn, Cr, Si, Mo и B повышает устойчивость аустенита при охлаждении вплоть до комнатных температур и определяет возможность получения закалочных структур. Прочность и твердость аустенита в 2,5–3 раза выше феррита при той же пластичности и пределе текучести.

Цементит – карбид железа (Fe₃C), содержащий 6,67% C. Является метастабильной фазой, претерпевающей изменения при легировании и термической обработке. При определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита (важно для структурообразования чугунов). Твердость цементита в 3–4 раза больше, чем у аустенита и в 9–10 раз – феррита, при этом цементит имеет практически нулевую пластичность.

Различают:

- Цементит первичный (ЦI) – выделяется из расплава;

- Цементит вторичный (ЦII) – выделяется из аустенита;

- Цементит третичный (ЦIII) – выделяется из феррита.

Физические и химические свойства этих фаз одинаковы.

Графит – стабильная фаза. Имеет слоистое строение, малую прочность и электропроводность, мягок и хрупок.

Эвтектоид – перлит (0,8% С) и эвтектику – ледебурит (4,3% С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов.

Перлит – эвтектоидная мельчайшая смесь, содержащая 0,8% углерода. Структура перлита состоит из пластинок феррита и цементита, а на микрошлифе имеет вид перламутра. С увеличением содержания углерода в стали снижается количество феррита и возрастает содержание перлита. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σ_в=800-900 МПа, σ_0,2=450 МПа, δ≤16%, 180-220 HB.

Рис. 4.38. Диаграмма фазового равновесия «железо-углерод»

А – температура плавления чистого железа (1539°С);

D – температура плавления чистого цементита (1500°С);

Линия ABCD – линия ликвидуса;

Линия AHIECF – линия солидуса. Выше линии солидуса существует жидкий сплав – жидкий раствор углерода в железе.

По содержанию углерода железоуглеродистые сплавы разделяют на стали (содержащие до 2,14 % углерода) и чугуны (с содержанием углерода свыше 2,14%). Принятая граница между сталями и чугунами соответствует наибольшей растворимости углерода в аустените.

Рис. 4.39. Микроструктура стали (схема)

Таблица 4.8

Классификация железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода

Техническое железо	С≤0,02%
Доэвтектоидные стали	С=0,02…0,8%
Эвтектоидные стали	С=0,8%
Заэвтектоидные стали	С=0,8…2,14%
Доэвтектические чугуны	С=2,14…4,3%
Эвтектика – ледебурит	С=4,3%
Заэвтектические чугуны	С=4,3…6,67%