Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом
Железо – пластичный металл серебристо-белого цвета. Твёрдость и прочность железа невысока (НВ80, σв = 250 МПа) при значительной пластичности (δ=50%). Температура плавления – 1539º С, плотность 7,83 г/см2.
Углерод встречается в природе в виде алмаза и графита. Графит имеет сложную кристаллическую решётку. Он является непрочным материалом, но с увеличением температуры прочность графита значительно возрастает. Температура плавления графита 3500º С. С углеродом железо образует химические соединения и твёрдые растворы внедрения.
Химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fe3C носит название цементит. В нём содержится 6,67% углерода (по массе). Цементит имеет сложную ромбическую кристаллическую решётку, характеризуется очень высокой твёрдостью (НВ800), хрупкостью и крайне низкой пластичностью. Температура плавления зависит от его состава (хром, молибден и др.) и находится в широком диапазоне 1250…1600º С.
Твёрдый раствор углерода в α-железеназывают ферритом. Содержание углерода в феррите очень невелико – максимальное – 0,02% при температуре 727ºС (рис.2.2). При комнатной температуре углерода в феррите содержится не более 0,006%. Благодаря столь малому содержанию углерода свойства феррита совпадает со свойствами железа (низкая твёрдость и высокая пластичность). Твёрдый раствор углерода в δ-железе, существующий при температуре 1392…1539º С, также называется ферритом, или высокотемпературным ферритом (δ-ферритом). Он характеризуется максимальной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499ºС.
Твёрдый раствор углерода в γ-железеназывается аустенитом. Максимальное содержание углерода в аустените составляет 2,14% (при температуре 1147ºС). Аустенит характеризуется высокой пластичностью и низкими прочностью и твёрдостью (НВ220).
Механическую смесь феррита с цементитом называют перлитом. Онсодержит 0,8% углерода и образуется из аустенита при температуре 727º С и является эвтектоидом. Эвтектоид – это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твёрдого раствора. Перлит имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Возможно и зернистое строение перлита, когда он состоит из зёрен цементита, окружённых ферритом. Зернистый перлит значительно пластичнее пластинчатого, имеет меньшую твёрдость.
Эвтектическая смесь аустенита с цементитом представляет собой ледебурит. Он содержит 4,3% углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147º С. При температуре 727º С аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит, а ниже этой температуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом. Ледебурит обладает высокой твёрдостью (НВ600…700) и хрупкостью.
Фаза цементита имеет пять структурных форм: цементит первичный, образующийся из жидкого сплава; цементит вторичный, образующийся из аустенита; цементит третичный, образующийся из феррита; цементит ледебурита; цементит перлита.
Диаграмма железо-цементит
Практическое значение имеют сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 6,67% (стали и чугуны). Поэтому рассматривают диаграмму состояния сплавов железа с углеродом только до этой концентрации, т.е. фактически рассматривается диаграмма железо-цементит (Fe–Fe3C). На рис.2.2 приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температура его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно международному стандарту и изменению не подлежит.
Линия ABCD диаграммы является линией ликвидус. На ней начинается кристаллизация: на участке АВ – феррита, ВС – аустенита и CD – первичного цементита. Линия AHJECF является линией солидус диаграммы.
Превращения в сталях. Главная роль в диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов отводится её левой части – сталям, так как на превращениях, происходящих в стали, основана термическая обработка. Рассмотрим эти превращения. В результате кристаллизации образуется аустенит. При дальнейшем понижении температуры аустенит претерпевает превращения, связанные с изменением кристаллической решётки (γ-железа переходит в α-железо), при этом снижается в нём растворимость углерода.
В точке S, соответствующей содержанию углерода 0,8%, при температуре 727º С аустенит полностью распадается, образуется перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной. Её структура состоит из одного перлита. Сталь, содержащую менее 0,8% углерода, называют доэвтектоидной, а сталь с содержанием более 0,8% углерода – заэвтектоидной. Переход чистого железа из модификации γ-железа в α-железо происходит при температуре 911º С. На диаграмме это соответствует точке G. В доэвтектоидных сталях при температурах, лежащих на линии GS, начинается выделение феррита из аустенита. Поэтому при дальнейшем понижении температуры содержание углерода в оставшемся аустените возрастает. Когда она составит 0,8% (при температуре 727º С), оставшийся аустенит перейдёт в перлит. Таким образом, в доэвтектоидной стали при полном охлаждении получается структура, состоящая из равномерно распределённых зёрен перлита и феррита. В заэвтектоидной стали на линии SЕ, при понижении температуры из аустенита, пересыщенного углеродом, по границам зёрен начинает выделяться вторичный цементит. Когда в аустените останется 0,8% углерода, он при температуре 727º С перейдёт в перлит. Следовательно, в заэвтектоидной стали при медленном охлаждении получается структура, состоящая из перлита и вторичного цементита. При этом вторичный цементит расположен в тонкой сетке по границам зёрен перлита.
Сплав, содержащий до 0,02% углерода, после завершения всех превращений не имеет в структуре перлита. Такой сплав часто называют техническим железом. Структура технического железа представляет собой зёрна феррита или феррита с небольшим количеством третичного цементита.
Линия GSE диаграммы называется линией верхних критическихточек, или линией начала превращения аустенита (при охлаждении). Линия PSK диаграммы (температура 727º С) называется линией нижних критических точек или линией перлитного превращения.
Превращения в чугунах. Точка С (4,3% углерода) представляет собой эвтектическую точку (эвтектикой называют равномерную мелкозернистую смесь двух фаз, которые одновременно кристаллизуются из жидкого сплава). Она соответствует температуре 1147º С, при которой кристаллизуется сплав указанного содержания углерода, при этом одновременно выделяются из жидкого сплава кристаллы аустенита и цементита, образуя эвтектическую смесь – ледебурит. Его структура представляет собой равномерную смесь кристаллов аустенита с цементитом. Чугун, содержащий 4,3% углерода, называется эвтектическим. Чугуны, содержащие менее 4,3% С, называются доэвтектическим. Их кристаллизация начинается при температурах, лежащих на линии ВС, с выделением аустенита, и заканчивается при температурах, лежащих на линии ЕС, образованием ледебурита. При дальнейшем понижении температуры растворимость углерода уменьшается и из аустенита начинает выделяться вторичный цементит. Когда углерода в аустените останется 0,8%, при 727º С аустенит переходит в перлит. Таким образом, в доэвтектическом чугуне образуется структура, состоящая из ледебурита, перлита и вторичного цементита.
Чугуны, содержащие более 4,3% углерода, называются заэвтектическими. Их кристаллизация начинается при температурах, лежащих на линии CD. При этом выделяется первичный цементит. Кристаллизация заканчивается при температуре 1147º С по линии CF образованием ледебурита. Получившаяся структура остаётся неизменной. В составе ледебуритной эвтектики при температуре 727º С аустенит переходит в перлит. Структура заэвтектических чугунов состоит из ледебурита и первичного цементита.
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов позволяет установить температурные режимы кристаллизации сталей и белых чугунов, режимы горячей обработки давлением (ковки, прокатки, штамповки) режимы термической обработки и т.д.
При очень медленном охлаждении кристаллизация может идти таким образом, что углерод будет выделяться в виде графита, а не цементита. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода в виде графита называются серыми чугунами.