Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом
Fе и C – элементы полиморфные. Углерод существует в двух модификациях – графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит. Алмаз – метастабильная модификация. Железо также существует в 2-х модификациях - Fеα и Fеγ (табл.6.8).
Фазы в сплавах железо-углерод представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит, свободный углерод в виде графита.
Табл.6.8
Некоторые свойства модификаций железа
| Fеα | Fеγ | |
| tº существования | до 911ºС от 1392º до 1539ºС | от 911º до 1392ºС |
| решетка | ОЦК (менее компактная) | ГЦК (более компактная) |
| Период решетки | 0,286нм (при t=20-25ºС) | 0,364нм (при 911ºС) |
| Магнитные свойства | Ферромагнетизм ниже t=768º | парамагнетизм |
| Объем при переходе Fеα→ Fеγ | Обьем Fе уменьшается ~ на 1% |
Феррит (Ф или α) - твердый раствор внедрения С в Fеα.. Существует низкотемпературная и высокотемпературная модификации. Низкотемпературный феррит растворяет менее 0,02% углерода, в то время как высокотемпературный феррит растворяет до 0,1% углерода. Из-за малого размера межатомных пор в ОЦК-решетке, углерод располагается в дефектах (вакансиях, дислокациях). Свойства : σв = 300МПа, δ = 40%, ψ = 70%, KCU = 2,5МДж/м2, твердость – НВ 80-100, пластичен.
Аустенит (А или γ) - твердый раствор внедрения углерода в Fеγ. ГЦК – решетка. Большой размер межатомных пор, следовательно - большая растворимость углерода (до 2,14%). Свойства те же, твердость выше – НВ 160-200; пластичен, но прочнее феррита.
Цементит (Ц) – карбид железа (почти постоянного состава) Fе3С, 6,69% углерода, сложная ромбическая решетка, 800НВ, хрупок, слабоферромагнитен.
Графит – углерод, выделяющийся в Fе-С – сплавах в свободном состоянии. Гексагональная кристаллическая решетка. Электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.
Превращения в сплавах Fе-Fе3С происходят как при затвердевании, так и в твёрдом состоянии.
Первичная кристаллизация идёт в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (АВСД) и солидус (АНGECF) (рис.6.8). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените (g) и феррите (a). При понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твёрдых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации С в аустените и феррите, соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (линия DFKL). Выделяющийся из жидкости цементит (линия СD) называется первичным, из аустенита - вторичным (ES), из феррита - третичным (линия PQ).
Табл.6.8.1.
Характерные точки диаграммы состояния Fе-Fе3С
| точки | t°, С | С,% | |
| А D Н Y B N D E C F G P S K | 6,69 0,1 0,16 0,51 6,69 2,14 4,3 6,69 0,02 0,8 6,69 | t° плавления чистого Fе t° плавления цементита предельная концентрация С в высокотемпературном Ф t°полиморфного превращения Fе наивысшая концентрация С в А t°полиморфного превращения Fе предельная концентрация С в низкотемпературном Ф |
В системе Fе-Fе3С происходят 3 изотермических превращения:
- перитектическое (линия HGB, t°= 1499°С)
ФН + ЖВ ®АJ
- эвтектическое ( линия ECF, 1147°С)
Жс ® [АЕ + ЦF] (ледебурит, 4,3%С)
- эвтектоидное (линия PSK, 727°С)
AS ® [ФР + ЦК] (перлит 0,8%С)
Эвтектоид - перлит и эвтектику - ледебурит рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов.
Перлит имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: временное сопротивление σв = 800-900МПа, условный предел текучести σ0,2 = 450МПа, относительное удлинение δ £ 16%, твердость - 180-220 НВ (рис. 6.10; 6.11).
Ледебурит. При охлаждении по линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит и при 20-25оС ледебурит - это смесь перлита и цементита. Цементит образует сплошную матрицу, в которой располагаются колонии перлита (рис. 6.13 б). Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (>600НВ) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обуславливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.
Рис. 6.10. Схема образования и роста зерен перлита
I – аустенит; II – образование зародыша Fe3C на границе зерна аустенита;
III – образование пластин феррита; IV - VI – рост и образование новых пластин
Fe3C и феррита
Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали и чугуны.
Микроструктура сталей показана на рис. 6.11: А – доэвтектоидная, Б – эвтектоидная, В – заэвтектоидная. Микроструктура технически чистого железа показана на рисунке 6.12: А – концентрация углерода <0.006%, Б – концентрация углерода 0.01%. Образующийся цементит, располагающийся в виде прослоек по границам ферритных зерен, ухудшает технологичную пластичность.
Рис. 6.11. Микроструктура сталей
А) доэвтектоидная х 300, б) эвтектоидная х 1000, в) заэвтектоидная х 300
Рис. 6.12. Микроструктура технически чистого железа
Цементит располагается в виде сетки по границам ферритных зерен
а) меньше 0,006% С х 300; б) 0,01% С х 300
Микроструктура чугунов (а – доэвтектических и в – заэвтектических) показана на рис.6.13. В доэвтектических белых чугунах сначала кристаллизуется аустенит, затем – эвтектика – ледебурит. При охлаждении чугуна в интервале температур 1147-727°С аустенит обедняется углеродом и образуется вторичный цементит. При температуре ниже 727°С аустенит превращается в перлит. Вторичный цементит, образовавшийся по границам зерен аустенита сливается с цементитом ледебурита. Крупные тёмные поля на фоне ледебурита – перлит, образовавшийся из структурно – свободного аустенита, в ледебурите видны тёмные участки перлита. В заэвтектическом чугуне резко выделяются крупные пластинки первичного цементита.
Рис. 6.13. Микроструктура белых чугунов (слева – схематическое изображение)
А) доэвтектический, б) эвтектический, в) заэвтектический