Классификация железо-углеродистых сплавов

Характеристика чистых компонентов

Чистое железо.

Железо – металлический элемент. Температура плавления чистого железа (99,9917%) равна 1539°С, кипения ‑ 3200°С. Механические свойства железа: предел прочности при растяжении σ_в = 300 - 350 МПа, относительное удлинение δ = 40 %, поперечное сужение ψ = 70%, т.е. железо хорошо подвергается деформации. Плотность α-железа равна 7.874 г/см³, γ-железа 8,0 - 8,1 г/см³, атомный вес— 55,85 , атомный радиус 1,27 А. Твердость чистого железа по Бринелли равна 49 НВ , технического - около 90 НВ.

Железо полиморфно и устойчиво может существовать в двух кристаллических модификациях. В интервалах температур до 911°С и выше 1401°С железо существует с объемоцентрированной кубической решеткой (модификации Fe_α и Fe_δ ). В интервале температур 911°-1401°С – более стабильной является гранецентрированная кристаллическая решетка (модификация Fe_γ). Температуры 911°С и 1401°С являются температурами равновесия α и γ фаз. Переход одной кристаллической модификации в другую при охлажении или нагреве может осуществлятся в случае некоторого переохлаждения или перенагрева ∆Т для обеспечения разности свободных энергий - движущей силы превращения (рис. 1).

Углерод

Углерод ‑ неметаллический элемент, атомный радиус 0,77 А, атомный вес 12,011. Плотность углерода 2,3 г/см³. Температура плавления ~3500°С. Углерод полиморфен: графит, алмаз. В обычных условиях он находится в виде модификации графита; модификация алмаз нестабильна.

Рис.1.График изменения свободных энергий α (δ) и γ модификаций железа

в зависимости от температуры.

Фазы в сплавах системы железо-углерод

1. Жидкая фаза представляет собой неограниченней раствор железа и углерода, область существования которого находится выше линии ликвидус ABCD - от 0 до 6,67 %С

Твердые растворы.

На основе двух кристаллических модификаций железа в системе сплавов Fe - С образуются твердые растворы внедрения, когда атомы железа занимают узлы кристаллической решетки, а атомы углерода размещается в междоузлиях.

Феррит ‑ твердой раствор углерода в α-железе (рис. 2). Максимальная растворимость углерода в ОЦК решетке железа не более 0,025% при температуре 727°С (точка Р на диаграмме), при комнатной температуре она равна 0,006 %С (точка Q). Твердость феррита около 80 - 100 НВ, предел прочности σ_в ~ 250 МПа, σ_т = 120 МПа, относительное удлинение δ до 50 %, относительное сужение ψ до 80%. До температуры 768^°С феррит ферромагнитен, выше - парамагнитен.

Аустенит – твердый раствор углерода в γ-железе (рис. 3). Максимальная растворимость углерода в ГЦК решетке железа не более 0,8% при температуре 727°С (точка S), при температуре 1147˚С она равна 2,14% (точка E). Твердость аустенита равна 170 - 200 НВ, предел прочности при растяжении δ_в= 500-800 МПа. Аустенит обладает большой пластичностью и малой склонностью к хрупкому разрушению, при деформации сильно наклёпывается, ферромагнитные свойства не проявляет.

Дельта-феррит (Ф_δ) – твердый раствор углерода в высокотемпературном α – железе с такой же кристаллической решеткой, как у низкотемпературного феррита. Предел растворимости углерода в δ-феррите составляет 0,1% при температуре 1493°С (точка Н).

Графит.

При медленных охлаждениях сплавов с содержанием углерода выше 2,14%С, т.е. чугунов, выделяется структурно свободный углерод – графит, который является самостоятельней фазой. Пространственная решетка его характеризуется гексогональной слоистой упаковкой атомов. Большие расстояния и слабые связи между слоями пространственной решетки приводят к тому, что графит является самой непрочной фазой в железоуглеродистых сплавах и чешуйки его легко отслаиваются.

Цементит.

Цементит – это карбид железа Fe₃C, содержит 6,67%С. . Это химическое соединение металлического типа с присутствием ковалентной связи. Имеет высокую твердость (около 1000 НВ) и хрупкость. Температура плавления цементита равна 1560°С.

а	б о - атомы железа; ● - атомы углерода.
Рис.3. Схема размещения атома углерода в октаэдрической пустоте ГЦК решетки железа.
Рис.2. Схема размещения атома углерода в октаэдрической и тетраэдрической пустоте ОЦК решетки железа.

Изотермические процессы, происходящие в сплавах системы железо-углерод

В системе железо-углерод (см. диаграмму состояния) имеют место нонвариантные трехфазные равновесия:

1. Перитектическое равновесие при 1493°С; ему соответствует линия НJВ, при котором в равновесии находятся три фазы : жидкая фаза, δ-феррит и аустенит. Взаимодействие фаз выражается формулой:

Жидкий расплав взаимодействует с ранее выпавшими кристаллами δ-феррита и образуется новый вид кристаллов – аустенит. Перитектическое равновесие возможно при строго определенной температуре и строго определенной концентрации фаз.

2. Эвтектическое равновесие при 1147^°С жидкой фазы, аустенита и цементита, ему соответствует линия ECF:

Из жидкого расплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит, механическая смесь которых называется ледебуритом (Л). Эвтектическая реакция протекает при строго определенной температуре и строго определенной концентрации фаз.

3. Эвтектоидное равновесие при 727^°С аустенита, феррита и цементита, ему соответствует линия PSK:

Твердый раствор аустенит распадается на ферритно-цементитную механическую смесь, называемую перлит (П). Эвтектоидная реакция протекает аналогично эвтектической – происходит одновременная кристаллизация двух фаз (феррита и цементита) при строго определенной температуре и строго определенной концентрации фаз, но не из жидкого расплава, а при распаде твердого раствора.

Классификация железо-углеродистых сплавов