Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов и эвтектикой
6 Диаграмма состояния сплавов Fe-Fe3C. Фазовый состав и структурные составляющие.
Железо— металл серебристого цвета с температурой плавления 1539°С. Чистое железо, получаемое в настоящее время, содержит 0,001 % примесей, а технические сорта железа содержат 0,1...0,2% (С, Мп, Si, S, Р и др.). Весьма важным свойством железа является аллотропия. Установлено, что железо имеет две модификации (а и у), отличающиеся строением и свойствами, а-железо существует при температурах ниже 911 °С ,и выше 1401°С. Для интервала температур 1401.. .1539 °Са-железо обозначают б-железо. Модификация у-железо существует в интервале температур 911...1401°С.
Механические свойства железа зависят от чистоты и размера зерен. Твердость железа составляет 58…80 НВ, предел прочности при растяжении 180…280 МПа, удлинение 30…50%, сужение 70…80 %. Железо легко образует сплавы со многими элементами (С, Si, Мп, С г, Ni идр.) Плотность железа равна 7,68 т/м3, коэффициент линейного расширения — 11,7-10~6 град-1.
Углерод— неметаллический элемент с плотностью 2,5 т/м3 и температурой .плавления 3500 °С. Углерод имеет три аллотропические формы (уголь, графит и алмаз). В железоуглеродистых сплавах углерод присутствует (где он является вторым компонентом) или в виде графита, или в виде цементита Fc3C (химическое соединение железа с углеродом).
Графит имеет незначительную прочность и слабо выраженные металлические свойства. В сплавах с железом он теряет свой металлический характер. Углерод растворяется в железе в жидком и твердом состояниях иобразует а- и у-твердые растворы внедрения с ограниченной растворимостью.
В системе Fe—С (Fe — Fe3C) различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение — цементит, а также графит. Структурными составляющими могут быть феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит и графит.
Феррит— твердый раствор внедрения углерода идругих элементов в а-железе. Различают низкотемпературный а-феррит с растворимостью углерода в пределах 0,006 % при нормальной температуре, 0,025 % при 727°С и высокотемпературный б-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %. Феррит имеет кристаллическую решетку ОЦК, в центре которой расположен атом углерода. Температура 768 °С является точкой Кюри для феррита, то есть ниже этой температуры феррит магнитен, а выше — немагнитен. Феррит имеет примерно следующие механические свойства: сгв = 25 Н/см2; 6 = = 50%; -ф = 80 %; НВ 80.. .90. Под микроскопом феррит виден в виде светлых (полиэдрических) зерен.
Аустенит— твердый раствор внедрения углерода и других элементов в у-железе. В зависимости от температуры в у-железе может раствориться от 0,8 (при 727°С) до 2,14% С (при 1147°С). Аустенит имеет кристаллическую решетку ГЦК, атомы углерода в которой расположены в центре граней куба. Твердость аустенита составляет до 220 НВ, он немагнитен. Микроструктура аустенита — полиэдрические зерна, характеризующиеся в отличие от феррита двойниками.
Цементит— химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). Углерода в цементите содержится 6,67 %. Цементит имеет твердость до 1000 НВ, хрупок, непластичен. Под микроскопом виден в форме блестящих включений (при травлении 2…5%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте). У цементита сложная ромбическая кристаллическая решетка с плотной упаковкой атомов. Карбид железа в стали и чугуне является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.
Цементит в системе Fe — Fe3C можно подразделить на пять видов: первичный, вторичный, третичный, эвтектоидный, эвтектический. Такое деление является условным, однако оно дает предпосылки к пониманию строения сплавов. Кристаллы первичного цементита выделяются из жидкого раствора. Вторичный цементит выделяется из аустенита в результате уменьшения содержания углерода с понижением температуры. Третичный цементит выделяется из феррита. Эвтсктоидпый цементит является структурной составляющей перлита, а эвтектический — ледебурита.
Перлит— механическая смесь, состоящая из цементита в ферритной основе, образуется в результате распада аустенита при 727 °С. Содержание углерода в перлите составляет 0,8%. В зависимости от формы цементита перлит бывает пластинчатый и зернистый. Перлит является эвтектоидом. Эвтектоидом называют характерную равномерную пластинчатую или зернистую микросмесь, подобную эвтектике, но в отличие от нее образующуюся не из жидкого сплава, апри превращении твердого раствора.
Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности (измельченность) частичек цементита. У пластинчатого перлита прочность несколько выше, чем у зернистого, а относительное удлинение ниже.
Ледебуритпредставляет собой эвтектику, состоящую из цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом в момент образования. Он образуется при затвердевании из жидкого расплава при 1147°С. При дальнейшем охлаждении аустенит превращается в перлит, следовательно, при нормальной температуре он состоит из перлита и цементита. Ледебурит отличается высокой твердостью (700 НВ) и хрупкостью.
Графит— одна из кристаллических разновидностей углерода, имеющая гексагональную решетку. Плотность графита 2,2 т/м3. Графит присутствует ,в структуре чугунов и лрафитизированных сталей. Форма его может быть пластинчатой, хлопьевидной или шаровидной. Наиболее благоприятна и желательна последняя форма.