Фазы и структуры

При сплавлении железа и углерода – компонентов сплава – образуются три твердые фазы: цементит, феррит и аустенит.

Цементит (Ц) – химическое соединение Fe₃C (карбид железа), содержание углерода в котором составляет 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов, высокую твердость 800–850HV (что соответствует по переводным таблицам твердости по Бринеллю ³ 800HВ) и низкую пластичность. Температура плавления цементита – около 1500 ° С (по некоторым данным – 1250 °С). Цементит является метастабильной фазой и при определенных условиях в сплавах с высоким содержанием углерода может распадаться с образованием свободного углерода в виде графита.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в Fe _a. Предельная растворимость углерода в феррите составляет 0,02% при температуре 727°С. С понижением температуры растворимость углерода падает и при температуре 20 ° С составляет 0,006%. Феррит имеет невысокие прочностные свойства (80HВ, s _в =250…270 МПа) и высокую пластичность (d=50%, y=80%).

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в Fe _g. Предельная растворимость углерода в аустените составляет 2,14% при температуре 1147 ° С. С понижением температуры растворимость углерода в аустените также понижается и при 727 ° С она составляет 0,8%. Для аустенита характерны высокая пластичность, низкая прочность и предел текучести; твердость аустенита – 170…200НВ.

Все перечисленные три фазы: феррит, аустенит и цементит являются структурными составляющими, которые образуют две смеси: ледебурит и перлит

Ледебурит (Л) – эвтектика состоящая из аустенита и цементита. Ледебурит образуется из жидкости при постоянной температуре 1147 ° С и содержит 4,3% углерода. Он имеет низкую пластичность и высокую твердость, равную 550НВ. Эвтектическая реакция протекает у всех сплавов системы железо–углерод, содержащих более 2,14% углерода. В этих сплавах жидкость, сохраняющаяся к концу кристаллизации, получает (или изначально имеет) эвтектический химический состав и кристаллизуется в ледебурит:

.

Перлит (П) – эвтектоид, состоящий из феррита и цементита. Перлит образуется в результате эвтектоидного распада аустенита при постоянной температуре 727 ° С. Он содержит 0,8% углерода, имеет твердость 180НВ и предел прочности 600 МПа. Перлит, образующийся при медленном охлаждении, имеет пластинчатое строение, состоящее из чередующихся пластинок феррита и цементита. Эвтектоидная реакция протекает во всех сплавах, содержащих более 0,02% углерода:

.

Эвтектоидное превращение претерпевает также и аустенит, входящий в состав ледебурита. Поэтому структура ледебурита в процессе охлаждения сплавов изменяется. Ледебурит, образовавшийся в процессе кристаллизации, является, как указывалось выше, смесью аустенита и цементита. Этот ледебурит часто называют аустенитовым (Л_А).

При охлаждении, когда температура достигает 727°С, происходит эвтектоидное (перлитное) превращение, в результате которого аустенит превращается в перлит; ледебурит становится смесью перлита и цементита. Такой ледебурит называют перлитовым (Л_П).

Наиболее широко в промышленности применяются сплавы системы «железо–углерод», содержащие до 6,67% углерода, что соответствует его концентрации в цементите. Поэтому мы рассматриваем диаграмму состояния «железо–цементит» («Fe-C»), которая имеет исключительно важное значение для обоснованного выбора железоуглеродистых сплавов при изготовлении изделий различного назначения, для теории и практики их термической обработки. Во–первых, на основе диаграммы возможно установить характер превращений и структуру сплавов в зависимости от концентрации в них углерода и температуры. Во–вторых, по диаграмме «Fe-C» выбирают температуру нагрева для основных видов термической обработки заготовок и изделий.

Диаграмма «Fe-C» (см. рис.10.1) отражает метастабильное состояние сплавов, которое достаточно термодинамически устойчиво. Это устойчивое состояние достигается в результате очень медленного нагрева или охлаждения сплавов до заданной температуры.