Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом.

Железо — пластичный металл серебристо-белого цвета с невысокой

твердостью (НВ 80). Температура плавления — 1539°С, плотность 7,83 г/см3.

Имеет полиморфные модификации (см. раздел 2.1.). С углеродом железо образует

химическое соединение и твердые растворы.

Ферритом называется твердый раствор углерода в а- железе. Содержание

углерода в феррите очень невелико — максимальное 0,02% при температуре 727°С.

Благодаря столь малому содержанию углерода свойства феррита совпадают со

свойствами железа (низкая твердость и высокая пластичность). Твердый раствор

углерода в высокотемпературной модификации Feα (т.е. в Feδ) часто называют δ-

ферритом или высокотемпературным ферритом.

Аустенит — это твердый раствор углерода в γ- железе. Максимальное

содержание углерода в аустените составляет 2,14% (при температуре 1147°С).

Имеет твердость НВ 220.

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид

железа) Fe3C. В нем содержится 6,67 % углерода (по массе). Имеет сложную

ромбическую кристаллическую решетку. Характеризуется очень высокой

твердостью (НВ 800), крайне низкой пластичностью и хрупкостью.

Перлит — это механическая смесь феррита с цементитом. Содержит 0,8%

углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое

строение, т.е. его зерна состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Перлит является эвтектоидом.

Эвтектоид — это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого

раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с

цементитом. Содержит 4,3% углерода, образуется из жидкого сплава при

температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит, входящий в состав

ледебурита превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит

представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.

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 Fe-Fe3C. На рис. 17 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 температуры 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.

Рис. 17 Диаграмма состояния железо-углерод

 

Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода делятся

на техническое железо (до 0,02% С),

сталь (от 0,02 до 2,14 % С)

и чугун (от 2,14 до 6,67% С).

Сталь, содержащая до 0,8% С называется доэвтектоидной, 0,8% С —

эвтектоидной и свыше 0,8% С — заэвтектоидной. Чугун, содержащий от 2,14 до

4,3% С называется доэвтектическим, ровно 4,3% — эвтектическим и от 4,3 до

6,67% С — заэвтектическим.

Структура техническою железа представляет собой зерна феррита или

феррит с небольшим количеством третичного цементита. Обязательной

структурной составляющей стали является перлит. Структура доэвтектоидной

стали, состоит из равномерно распределенных зерен феррита и перлита.

Эвтектоидная сталь состоит только из перлита. Структура заэвтектоидной стали

представляет собой зерна перлита, окруженные сплошной или прерывистой сеткой

вторичного цементита. Для чугуна характерно наличие ледебурита в структуре.

Структура доэвтектического чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и

ледебурита, эвтектическою — из ледебурита и заэвтектического — из ледебурита и

первичного цементита.

Значение диаграммы железо - цементит состоит в том, что она позволяет

объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от

содержания углерода и определить режимы термической обработки для изменения

свойств сталей.

13. Влияние углерода и примесей на свойства стали.

 

Углерод существенно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении ею содержания. В стали имеются две фазы — феррит и цементит (частично в виде перлита).

Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода.

Как уже говорилось, феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой

твердостью, а цементит, напротив, очень низкой пластичностью и высокой

твердостью. Поэтому с повышением содержания углерода до 1,2% снижаются

пластичность и вязкость стали и повышаются твердость и прочность.

Повышение содержания углерода влияет и на технологические свойства стали.

Ковкость, свариваемость и обрабатываемость резанием ухудшаются, но литейные

свойства улучшаются.

Кроме железа и углерода в стали всегда присутствуют постоянные примеси.

Наличие примесей объясняется технологическими особенностями производства

стали (марганец, кремний) и невозможностью полного удаления примесей,

попавших в сталь из железной руды (сера, фосфор, кислород, водород, азот).

Возможны также случайные примеси (хром, никель, медь и др.).

Марганец и кремний вводят в любую сталь для раскисления, т.е. для

удаления вредных примесей оксида железа FeO. Марганец также устраняет

вредные сернистые соединения железа. При этом содержание марганца обычно не

превышает 0,8%, а кремния — 0,4%. Марганец повышает прочность, а кремний

упругость стали.

Фосфор растворяется в феррите, сильно искажает кристаллическую решетку,

снижая при этом пластичность и вязкость, но повышая прочность. Вредное влияние

фосфора заключается в том, что он сильно повышает температуру перехода стали в

хрупкое состояние, т.е. вызывает ее хладноломкость. Вредность фосфора

усугубляется тем, что он может распределяться в стали неравномерно. Поэтому

содержания фосфора в стали ограничивается величиной 0,045%.

Сера также является вредной примесью. Она нерастворима в железе и

образует с ним сульфид железа FeS, который образует с железом легкоплавкую

эвтектику. Эвтектика располагается по границам зерен и делает сталь хрупкой при

высоких температурах. Это явление называется красноломкостью. Количество

серы в стали ограничивается 0,05%.

Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах.

Они являются вредными примесями, ухудшающими свойства стали.