Компоненты и фазы системы «железо – углерод»

Железо – металл полиморфный, который при обычном давлении может существовать в нескольких модификациях. На рисунке 1.1, а показана кривая охлаждения чистого железа. До 911 ºС (точка А₃) существует a-железо с объемно центрированной кубической решеткой (ОЦК) с периодом решетки 0,286 нм; a-железо ферромагнитное, но при температуре 768 ºС (точка Кюри, А₂) переходит в парамагнитное состояние без изменения свойств. В интервале температур 911¸1392 ºС существует g-железо с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК) с периодом 0,364 нм, а выше 1392 ºС (А₄) – железо с ОЦК решеткой с периодом 0,293 нм, которое обозначают как d-железо. Решетка ГЦК более компактна, чем ОЦК, поэтому при полиморфном переходе Fe_a®Fe_g объем железа уменьшается приблизительно на 1%.

Углеродв обычных условиях находится в виде графита, но при высоких температурах и давлении может существовать в виде метастабильной модификации – алмаза. Графит имеет слоистую гексагональную решетку, электропроводен, не прочен.

Фазовых составляющих, или фаз – гомогенных частей системы определенного состава и агрегатного состояния, отделенных от остальных частей рассматриваемой системы поверхностями раздела, – в железоуглеродистых сплавах различают пять: жидкий расплав (раствор), графит, цементит, аустенит, феррит.

Феррит и аустенит – это твердые растворы, образовавшиеся в результате внедрения углерода в a- и g-железо, соответственно. Твердый раствор углерода в d-железе называют высокотемпературным ферритом. Углерод, помимо твердых растворов и графита может существовать в сплавах в виде химического соединения – цементита или карбида железа (Fe₃C) со сложной ромбической решеткой с плотной упаковкой атомов. До 210 ºС цементит ферромагнитный от-

а б

Рис. 1.1. Кривая охлаждения железа (а) и диаграмма состояния «железо-углерод» (б)

личается высокой твердостью, хрупкий, температура плавления при нагревании лазерным лучом установлена равной 1260 ºС. При нагревании цементит распадается на графит и феррит.

Основной причиной появления в сплавах железа с углеродом высокоуглеродистой метастабильной фазы в виде цементита являются трудности формирования графита. Образование графита в жидком растворе и твердых растворах a и g связано с практически полным удалением атомов железа из участков сплава, где зарождается и растет графит. Оно требует значительных атомных передвижений. Если железоуглеродистые сплавы охлаждаются медленно или длительно выдерживаются при повышенных температурах, атомы железа успевают удалиться из мест, где формируется графит, и тогда возникают стабильные состояния. При ускоренном охлаждении и недостаточных выдержках удаление малоподвижных атомов железа задерживается, почти все они остаются на месте, и тогда в жидких и твердых растворах зарождается и растет цементит.

Фазовые состояния и структурные превращения железоуглеродистых сплавов в зависимости от состава и температуры описываются диаграммами стабильного или нестабильного равновесия. Эти диаграммы характеризуют превращения в системах «железо – углерод» или «железо – цементит», соответственно.

В стабильном состоянии в железоуглеродистых сплавах встречаются жидкий раствор углерода в железе, a-, g-, d-твердые растворы углерода в модификациях железа (феррит, аустенит) и графит.

На рис. 1.1, б представлена метастабильная диаграмма состояния «Fe–Fe₃C». Содержание углерода в диаграмме ограничивается 6,67%, при котором образуется карбид железа (Fe₃C).