Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

 

Компоненты и фазы. Железо – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления – 1539 °С, плотность – 7,87 г/см³. Атомный радиус – 0,127 нм, ионный Fe²⁺ – 0,078 нм, Fe³⁺ – 0,064 нм. Имеет две полиморфные модификации: a-железо (Fe_a) с ОЦК решеткой до 911 °С и выше 1392 °С g-железо (Fe_g) с ГЦК решеткой, существующее в интервале 911-1392 °С. Период решетки a-железа – 0,286 нм, g-железа – 0,365 нм. До температуры 768 °С (точка Кюри) железо ферромагнитное.Железо со многими элементами образует твердые растворы: с металлами – замещения, с углеродом, азотом и водородом – внедрения.

Углерод – неметалл. Атомный радиус 0,077 нм; ковалентные радиусы: 0,077, 0,067 и 0,060 нм в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус С⁴⁺ – 0,015 нм. Имеет модификации: графит –со слоистой решеткой, алмаз – с кубической решеткой и фуллерен. Плотность графита – 1,5-2,2 г/см³, температура возгонки – 3500 °С. У гексагонального α- графита атомы каждого слоя располагаются над и под центрами шестиугольников (рис. 2.12). Положение слоев повторяется через один. Каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном направлении на 0,142 нм. У ромбоэдрического β- графита каждый четвертый слой повторяет первый; в чистом виде не встречается. Метод синтеза алмазов – взрыв графита со скоростью детонации 7-8 км/с, при давлении 20-30 ГПа (1 ГПа = 10⁴ атм.), температура – около 4000 °С.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в a-железе (рис. 2.13,а). Минимальная растворимость углерода при комнатной температуре – 0,006% (точка Q на рис. 2.14), максимальная – 0,02 % при 727 °С (точка P). Выше 1392 °С существует высокотемпературный феррит с растворимостью углерода 0,1 % при 1499 °С. Свойства феррита близки к свойствам железа. Обладает малой твердостью (130 НВ), высокой пластичностью (d = 30 %), магнитен до температуры 768 °С.

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в g-железе (рис. 2.13,б) имеет минимальную растворимость углерода 0,8 % при 727 °С (точка S на рис. 2.14), максимальную – 2,14 % при 1147°С (точка Е). Аустенит прочнее феррита (твердость 250 НВ), парамагнитен.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C) содержит 6,69 % углерода. Решетка состоит из октаэдров (рис. 2.13,в), оси которых наклонены друг к другу. Температура плавления 1252 °С, точка Кюри – 210 °С, плотность – 7,82 г/см³. Цементит – метастабильная фаза: при нагревании разлагается на железо и углерод. Твердость – 800 НВ. Цементит первичный (Ц_I) выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов, вторичный (Ц_II) – из аустенита в виде сетки вокруг зерен аустенита (при дальнейшем охлаждении вокруг зерен перлита), третичный (Ц_III) – из феррита в виде мелких включений, но их химические и физические свойства одинаковы.

Превращения в сплавах системы Fe – C. Сплавы железа, содержащие более 6,69 % углерода, не имеют практического применения. Рассматривается только левая часть диаграммы (рис. 2.14). Линия АСD – ликвидус системы, линия AECF – солидус. На линии АС начинается, а на линии АЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На линии СD начинается кристаллизация цементита первичного.

На линии ECF при постоянной температуре 1147 °С идет эвтектическое превращение: расплав с содержанием 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного: Ж®А+Ц_I – ледебурит (Л_4,3).

На линии GS начинается, на линии PG заканчивается превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением Fe_γ®Fe_a. На линии ES начинается выделение Ц_II из аустенита, обусловленное снижением предельной растворимости углерода в Fe_γ.

На линии PSK при температуре 727 °С идет эвтектоидное превращение. Аустенит с 0,8 % углерода превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного: А_0,8®Ф+Ц_II – перлит (П_0,8). Полированный, протравленный шлиф имеет перламутровый блеск.

На линии PQ начинается выделение Ц_III из феррита, т. к. уменьшается растворимость углерода в Fe_a при снижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо–цементит (критические точки), обозначают буквой А (от французского arret – остановка): А ₁ – линия PSK (727 °С) – превращение П «А; A ₂ – линия, соответствующая точке Кюри (768 °С); A ₃ – линия GS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф«А; A_cm – линия SE – переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве, – начало выделения Ц_II (иногда обозначается A ₃).

При нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах. Для обозначения процесса нагревания добавляют букву (с) – А_{c 1}, охлаждения – букву (r) – А _{r 1}.

Структуры железоуглеродистых сплавов. Сплавы системы железо-цементит по содержанию углерода делятся на техническое железо, стали и чугуны.

1. Железо с содержанием углерода до 0,02 % называют техническим. Микроструктура сплава содержит зерна феррита при содержании углерода до 0,006 % (рис. 2.15,а). При увеличении углерода до 0,02 % по границам и внутри зерен феррита расположены зерна Ц_III.

2. Стали – сплавы железа с содержанием углерода 0,02-2,14 %. Они кристаллизуются с образованием аустенита. Микроструктура сталей формируется при перекристаллизации аустенита. По содержанию углерода и структуре стали делятся на: доэвтектоидные, структура – Ф+П (рис. 2.15, б); эвтектоидные, структура – П (рис. 2.15, в); заэвтектоидные, структура – П+Ц_II, цементит располагается в виде сетки вокруг зерен перлита (рис. 2.15, г).

3. Сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,69 % кристаллизуются с образованием легкоплавкой эвтектики (ледебурита) и называются белыми чугунами. Они имеют высокую твердость и хрупкость, излом серебристо-белый. По количеству углерода и структуре белые чугуны (рис. 2.16) делятся на: доэвтектические, структура – П+Л+Ц_II; эвтектические – Л; заэвтектические – Л+Ц_I. Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах одинаков: феррит и цементит. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно отличаются.

Углеродистые стали

 

Углеродистые стали – сплавы железа с углеродом (стали) с общим содержанием остальных примесей не более 1 %. Свойства сталей определяются количеством углерода (рис. 2.17) и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом. С ростом содержания углерода количество цементита увеличивается, феррита – уменьшается. Прочность сталей повышается до содержания углерода около 1 %, затем уменьшается, так как в структуре образуется грубая сетка цементита. Увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости, снижает ударную вязкость, ухудшает обрабатываемость давлением. Низкоуглеродистые стали при обработке резанием дают невысокое качество поверхности, но хорошо свариваются и штампуются в холодном состоянии.

Влияние примесей

1. Постоянные примеси: марганец, алюминий, кремний, сера, фосфор. Марганец, кремний и алюминий добавляют в сталь для раскисления при выплавке, они являются технологическими примесями. Содержание марганца и алюминия не превышает 0,5-0,8 %. Марганец повышает прочность. Алюминий дегазирует металл и повышает плотность слитка. Содержание кремния не превышает 0,4 %. Кремний растворяется в феррите и увеличивает предел текучести и предел прочности.

Фосфор попадает в сталь при ее выплавке из чугуна. Содержание фосфора в сталях – 0,025-0,045 %. Растворяясь в феррите, он искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности, но снижает пластичность и вязкость; повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние (20-25 °С на 0,01 % Р) – явление хладноломкости.

Сера также попадает в сталь при ее выплавке из чугуна. Содержание серы в сталях – 0,025-0,06 %. Сера с железом образует сульфид FeS, который, в свою очередь, образует с железом (с аустенитом) легкоплавкую эвтектику (988 °С). При нагреве эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости. Сера снижает ударную вязкость и пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси – газы (азот, кислород, водород) попадают в сталь при выплавке и находятся в раковинах и трещинах. Водород приводит к образованию флокенов – тонких трещин округлой формы серебристого цвета. Азот и кислород входят в виде неметаллических включений нитридов (Fe₂N) и окислов (FeO, SiO₂, Al₂O₃), которые являются концентраторами напряжений и снижают предел выносливости и вязкость; в виде твердых растворов, которые повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению.

3. Случайные примеси: хром, никель, вольфрам и др. попадают в сталь из металлического лома (скрапа) при выплавке.