Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

Железо и углерод – элементы полиморфные. Железо с температурой плавления 1539ºC имеет две модификации - α и γ. Модификация Fe _α существует при температурах до 911°C и от 1392 до 1539°C, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм (при 20-25 °C). Важной особенностью Fe _α является его ферромагнетизм ниже температуры 768ºC, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe γ существует в интервале температур от 911….1392°C, и имеет ГЦК решетку, период которой при 911°C равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК. В связи с этим при Fe _α →Fe _γ объем железа уменьшается приблизительно на 1 %. Fe_γ парамагнитно.

Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз. (Это используют при получении синтетических алмазов).

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Феррит (обозначают Ф или α) – твердый раствор внедрения углерода в Fe _α. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет лишь 0,02 %, в высокотемпературном – 0,1 %. Столь низкая растворимость углерода в Fe α обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях). Феррит – мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: σ_в=300МПа; δ=40%; ψ=70%; KCU=2,5 МДж/v²; твердость – 80-100 HB.

Аустенит (обозначают А или γ) – твердый раствор внедрения углерода в Fe _γ. Он имеет ГЦК-рещетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Fe γ значительно больше и достигает 2,14%. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (160-200 HB) при 20-25 °C.

Цементит (обозначают Ц) – карбид железа (почти постоянного состава) Fe₃C, содержит 6,69% C и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800 HB) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при 210 °C. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260°C.

Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали и чугуны.

Превращения сталей в твердом состоянии. Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии, поэтому рассмотрим более подробно превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации

Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите. Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен. (рис. 5.2.). Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.

При 20-25°C третичный цементит имеется во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,0002% С. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание мало по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых превращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02% о третичном цементите не упоминают.

Рис. 5.2. Микроструктура стали с содержанием углерода <0,02% (технически чистое железо) после отжига. х100

Сплав с содержанием 0,8% С называется эвтектоидной сталью. В нем при температуре 727⁰С происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит. Такую смесь двух фаз (структурной составляющей) называют перлитом (рис.5.3.). Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σ_в=800…900 МПа; σ_0,2=450МПа; δ≤16%; твердость-180…200НВ.

Сплавы с содержанием углерода менее 0,8% называют доэвтектоидными сталями. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит. Поэтому структура таких сталей состоит из феррита и перлита с различным содержанием данных фаз в зависимости от количества углерода, присутствующего в сталях. (рис.) С увеличением углерода количество перлита увеличивается.


а)	б)

Рис. 5.3. Микроструктура эвтектоидной стали. Перлит при 100х (а) и 1000х (б)

Сплавы с содержанием углерода >0,8% называют заэвтектоидными сталями. Эвтектоидному превращению в этих сталях предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (Ц_II) из-за уменьшения растворимости углерода в аустените. При температуре эвтектоидного распада аустенит стали теряет углерод до 0,8% и испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой. (рис.) Максимальное количество структурно свободного цементита (~20%) содержится в сплаве с содержанием углерода 2,14 %.