Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Основными компонентами, от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. Чистое желе­зо - металл серебристо-белого цвета; температура плавления 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации: α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 911°С и выше 1392°С; γ-железо — при 911-1392°С.

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие.

1. Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Рас­творимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначи­тельную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; ψ=80%).

2. Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Эта температура является ниж­ней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеро­дистых сплавах. Аустенит имеет твердостьНВ 160-200 и весьма пласти­чен (δ =40-50%).

3. Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (кар­бид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ-800), хрупок и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в оп­ределенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe3C→3Fe+C.

4. Графит - это свободный углерод, мягок (НВ-3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изме­нением формы графитовых включений меняются механические и тех­нологические свойства сплава.

5. Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид, т.е. подобный эвтек­тике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, со­держащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернис­тым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной тем­пературе зернистый перлит имеет предел прочности σв =800МПа; отно­сительное удлинение δ =15%; твердость НВ 160. Перлит образуется сле­дующим образом. Пластинка (глобула) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неме­таллическое включение. При этом соседние области объединяются уг­леродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образова­нию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

6. Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цемен­тита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердостьНВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превра­щается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре

Диаграмма состояния железо — цементит (в упрощенном виде):

А — аустенит, П — перлит, Л — ледебурит, Ф — феррит, Ц — цементит

ниже 727"С ледебу­рит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь пер­лита с цементитом.

Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды — соединения с кислородом, азо­том, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые струк­турные составляющие, напримерфосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5—0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна.

Диаграмма состояния железо - цементит. В диаграмме состояния желе­зо — цементит (Fe—Fe3C) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их струк­турах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной тем­пературы. Диаграмма (рис. 14) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14до 6,67% — чугуном.

Диаграмма состояния Fe—Fe3C представлена в упрощенном виде. Первичная кристаллизация, т.е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539° плавления (затвердевания) железа, точка D - температуре ~ 1600°С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса АЕСР соответствует температурам конца за­твердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидко­го сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD — цементит, называе­мый первичным цементитом. В точке С при 1147° С и содержании угле­рода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику — ледебурит. При темпера­турах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием уг­лерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интер­вале 2,14—4,3% С — аустенита, а в интервале 4,3—6,67% С цементита пер­вичного (см.рис. 14).

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержани­ем углерода до 2,14%, т.е. в сталях, образуется однофазная структура — аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т.е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) про­исходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и ОРО. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода же­леза из одной аллотропической модификации в другую (у в а) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С пониже­нием температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита.

В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении спла­вов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линии GS, и цементита, называемого вторичным, при тем­пературах, соответствующих лини и SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделявшегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже ли­нии GР существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до тем­ператур, соответствующих линии PQ , из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что с понижением температуры

Микроструктура:

а - доэвтектоидная сталь - феррит (светлые участки) и перлит (темные участ­ки) при 500^х увеличении, б — эвтектоидная сталь — перлит (1000'), в — заэвтектоидная сталь - перлит и цементит в виде сетки (200')

растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре.

В точке S при содержании 0,8% углерода и температуре 727°С весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита—перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной (рис. 15, б). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода называ­ют доэвтектоидными (рис. 15, а), а от 0,8 до 2,14% углерода - заэвтектоидными (рис. 15, в).

При температурах, соответствующих линии PSK, происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием пер­лита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения.

При температурах, соответствующих линии SE, аустенит насыщен уг­леродом, и при понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного).

Вертикaль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химичес­кий состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что сущест­венно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристалли­зации из жидкости.

Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 16). Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода — заэвтектическими.

Микроструктура белого чугуна при 500^х увеличении:

а — доэвтектический чугун — перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), б—эвтектический чугун —ледебурит (смесь пер­лита и цементита), в - заэвтектический чугун - цементит (светлые пластины) и ледебурит

По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обеднен­ный углеродом доэвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит + цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем мень­ше в нем перлита и больше ледебурита.

Белый эвтектический чугун (4,3% углерода) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, со­держащий более 4,3% углерода, после окончательного охлаждения со­стоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит пре­вращается в перлит, т.е. ледебурит при комнатной температуре представ­ляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое стро­ение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости.

Диаграмма состояния железо — цементит имеет большое практичес­кое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов терми­ческой обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штам­повка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.