2015-02-18
2834
Диаграмма состояния «железо – углерод» является научной основой технологии черных металлов и дает представления о строении важнейших железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.
Начало изучению этой диаграммы положил русский ученый-металлург Д.К. Чернов. В 1868 году он впервые указал на существование в сталях критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.
Так как промышленность выпускает железные сплавы с содержанием углерода до 5%, то целесообразно рассматривать только часть диаграммы состояния системы «железо – углерод» в интервале концентраций от чистого железа до химического соединения Fe3С, содержащего 6,67% углерода, называемого цементитом. Поэтому практический интерес представляет диаграмма состояния «железо – цементит» (Fe — Fe3С), на оси концентраций которой указывают как содержание углерода, так и цементита (рис. 4.1).
Компонентами системы Fe — Fe3С являются железо и цементит.
Железо, мягкий пластичный металл серебристо-серого цвета, кристаллизуется при температуре 1539 оС, в твердом состоянии претерпевает полиморфные превращения:
|
|
|
1) α–железо (Feα) имеет кристаллическую решетку объемно-центрированного куба и существует при температурах ниже 911оС; (его высокотемпературная модификация, существующая выше 1392 оС, практического значения не имеет и поэтому с целью упрощения диаграммы состояния на рис. 4.1 не показана).
2) γ–железо (Feγ) образует кристаллическую решетку гранецентрированного куба и сохраняется в интервале температур 911 — 1392 оС; на упрощенной диаграмме предполагается, что Feγ существует от 911о до температуры плавления 1539 оС.
При температуре 768 оС (точка Кюри) железо меняет магнитное состояние; ниже 768 оС железо ферромагнитно, а выше — немагнитно.
Цементит является метастабильным (неустойчивым) соединением железа с углеродом Fe3С и имеет сложную ромбическую решетку. При высоких температурах и больших концентрациях углерода диссоциирует с образованием графита и твердого раствора углерода в α– или γ–железе. Свойства и разновидности цементита как фазы приведены ниже.
Фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
В сплаве Fe — Fe3С в твердом состоянии могут существовать три фазы и три структурные составляющие.
Фазы:
Феррит Ф (от лат. ferrum – «железо») – твердый раствор внедрения углерода в α – Fe. При 727 оС имеет максимальную растворимость углерода 0,02 %, при комнатной температуре – около 0,01 %. Он пластичен, имеет твердость 60…90 единиц НВ (что соответствует напряжению 600…900 МПа). Феррит ферромагнитен до температуры 768 оС, имеет предел прочности Ϭв = 250…300 МПа. Его называют технически чистым железом (или железом Армко – от аббревиатуры американской фирмы American Rolling Mill Corporation).
|
|
|
Аустенит А - твердый раствор внедрения углерода в γ – Fe. При 1147 оС имеет максимальную растворимость углерода 2,14%, существует до 727 оС при концентрации углерода 0,8 %. Аустенит немагнитен, пластичный и вязкий, имеет твердость до 200 НВ, по сравнению с ферритом плохо проводит тепло и электрический ток. Назван по имени английского металлурга Уильяма Робертс-Остена (W. Roberts-Аusten).
Цементит Ц (от лат. caementum – «камень, щебень») – карбид железа Fe3C, содержит 6,67 % углерода, хрупкий и твердый (800 НВ), слабомагнитный при низких температурах, а выше 210 оС полностью теряет магнитные свойства. Его температура плавления около 1260 оС. По порядку образования при охлаждении сплава различают цементит (рис.4.1): первичный ЦI - кристаллизуется из жидкого сплава по линии DC; вторичный ЦII - выпадает из аустенита по линии ES и располагается по границам зерен аустенита или перлита; третичный ЦIII - выделяется из феррита по линии ниже точки P.
Структурные составляющие:
Перлит П (от фр. perle – «жемчуг») – эвтектоидная* мелкокристаллическая смесь феррита и цементита. Образуется в результате распада аустенита в точке S при температуре 727 оС и концентрации углерода 0,8 %. Перлит имеет пластинчатое, реже зернистое строение. Твердость перлита 180…220 НВ,
* Эвтектоидная – от греч. eutektos «легкоплавкий» + греч. окончание …éidos «вид, подобие» – подобная эвтетики
предел прочности Ϭв = 800…900 МПа (увеличиваются с повышением степени дисперсности).
Ледебурит эвтектический ЛЭ – эвтектика, представляет собой смесь цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом. Кристаллизуется ледебурит из жидкого сплава в точке С при концентрации углерода 4,3 % и температуре 1147 оС. Назван по имени немецкого металлурга К. Ледебура.
Рис. 4.1. Диаграмма состояния сплава железо – цементит (упрощённая):
Ж – жидкий раствор; Ф – феррит; А – аустенит; Ц – цементит; П – перлит; ЛЭ – ледебурит эвтектический; ЛП – ледебурит превращенный
Ледебурит превращенный ЛП – смесь цементита и перлита, образованная в результате превращения аустенита в перлит на линии PSK. Он существует при температурах ниже 727 оС, отличается высокой твердостью (700 НВ) и хрупкостью.
