Компоненты и фазы в системе железо-углерод

Сплавы железа широко распространены в промышленности. Основными из них являются стали и чугуны. Это сплавы железа с углеродом.

Строение любых сплавов отражается диаграммой состояния. Чтобы экспериментально построить диаграммы состояния сплавов, образованных двумя компонентами А и В, нужно подготовить несколько сплавов с разным содержанием этих компонентов. Для каждого сплава экспериментально определяют критические точки, то есть температуры фазовых превращений. Полученные значения температур откладывают на вертикальных линиях в соответствии химическим составом сплавов [3]. Соединяя критические точки, получают линии диаграммы состояния. Диаграмма состояния показывает изменение равновесного состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации (рис. 5.1).

 

Рис. 5.1. Диаграмма состояния

Железо

Железо – металл сероватого цвета. Атомный номер 26. Чистое железо содержит 99,999 % Fe, технические сорта 99,8…99,9 %. Температура плавления железа 1539 °С. Железо является полиморфным металлом.

До 911 °С – кристаллическая решётка ОЦК (Fe _α),

911…1392 °С – кристаллическая решётка ГЦК (Fe _γ),

1392…1539 – кристаллическая решётка ОЦК (Fe _α,Fe _δ).

До температуры 768 °С α -железо ферромагнитно, выше парамагнитно. Температуру 768 °С, при которой происходит переход от ферромагнитного состояния к парамагнитному, называют точкой Кюри и обозначают А₂ . Плотность α- железа – 7,68 г/см³ .

Критическую точку перехода α γ при температуре 911 °С обозначают при нагреве Ас₃, а при охлаждении Аr₃ . Критическую точку перехода γ α при температуре 1392 °С обозначают при нагреве Ас₄, а при охлаждении Аr₄.

Железо, как и другие чистые металлы, обладает низкой твёрдостью и прочностью, но высокой пластичностью и вязкостью. Железо со многими элементами образует твёрдые растворы, причём с металлами – твёрдые растворы замещения, с неметаллами, в том числе с углеродом, – твёрдые растворы внедрения.

Твёрдый раствор внедрения углерода в α -железе называют ферритом. Он имеет ОЦК решётку.

Твёрдый раствор внедрения углерода в γ -железе называют аустенитом. Он имеет ГЦК решётку.

Растворимость углерода в γ -железе больше, чем в α -железе.

Углерод

Углерод – неметаллический элемент с атомным номером 6. Плотность углерода 2,5 г/см³. Температура плавления ~3500 °С. Углерод имеет две модификации: графит и алмаз. Графит имеет слоистую гексагональную решётку. Он очень мягок, имеет металлический блеск и низкое электросопротивление.

Железо с углеродом образует три химических соединения: 1) Fe₃С (6,67 % С, остальное Fe). Это химическое соединение – карбид железа называется цементит; 2) Fe₂С (9,68 % С, остальное Fe); 3) FeС (21, 5% С, остальное Fe) (рис. 5.2.).

 

Рис. 5.2. Диаграмма состояния Fe–С

 

Диаграммы состояний, в которых имеются химические соединения, можно разбить на несколько самостоятельных диаграмм, считая эти соединения компонентами этих диаграмм.

Следовательно, диаграмму Fe–C можно разбить на четыре части: 1) Fe–Fe₃C; 2) Fe₃C–Fe₂C; 3) Fe₂C–FeC; 4) FeC–С.

Так как в промышленности в основном применяют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до ~5 %, то наибольший интерес представляет первая диаграмма Fe–Fe₃C (железо–цементит).

Цементит

Цементит – химическое соединение железа с углеродом. Содержит 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решётку. Температура плавления цементита точно не определена из-за его распада при нагреве (t_пл»1252 °С). Цементит слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210 °С. Он имеет высокую твёрдость и хрупкость. В цементите могут растворяться другие элементы. Такой цементит называют легированным. Цементит является неустойчивым химическим соединением и может разлагаться на железо и углерод. Это процесс называется графитизацией.

 

5.2. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe–Fe₃C)

(метастабильное равновесие)

На диаграмме состояния Fe–Fe₃C даны фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (рис. 5.3).

 

 

Рис. 5.3. Диаграмма состояния Fe–Fe₃C

 

Точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления железа, а точка D (1252 °С) – температуре плавления цементита. Точки N (1392 °С) и G (911°С) соответствуют полиморфным превращениям железа (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Характерные точки диаграммы состояния Fe–Fe₃C

 

Обозначение точки	Температура, °С	Концентрация углерода, %	Обозначение точки	Температура, °С	Концентрация углерода, %
A			E		2,14
N			C		4,3
D		6,67	F		6,67
H		0,1	G
J		0,16	P		0,02
B		0,51	S		0,8
–	–	–	K		6,67

 

Принято следующее обозначение фаз на диаграмме:

1) неограниченный жидкий раствор углерода в железе – L, Ж.

2) аустенит – Fe _γ (С), γ, А.

3) феррит – Fe _α (С), α, Ф.

4) цементит – Fe₃C, Ц.

Геометрическое место точек, соответствующих началу кристаллизации всех сплавов, называется лúквидус (линия ABCD) (см. рис. 5.3.).

Геометрическое место точек, соответствующих концу кристаллизации всех сплавов, называется сóлидус (линия AHJECF) (см. рис. 5.3).

Для того, чтобы определить, какие фазы находятся в равновесии в двухфазных областях диаграммы, необходимо через любую точку внутри этой области провести горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими эту область на диаграмме. Тогда точки пересечения покажут фазы, находящиеся в этой области. Эту горизонтальную линию называют конóдой (bd) (см. рис. 5.3.).

При анализе диаграмм состояний применяют несколько правил, в том числе:

1) правило концентраций.

Оно служит для определения химического состава, то есть концентраций фаз в двухфазных областях диаграммы. Для определения концентраций фаз нужно через заданную точку данной области провести коноду. Проекции концов коноды на ось концентраций покажут химический состав этих фаз.

Точка b ₁ покажет химический состав аустенита (А) в точке а (см. рис. 5.3.).

Точка d ₁ покажет химический состав жидкой фазы (Ж) в точке а (см. рис. 5.3.).

2) правило рычага (правило отрезков).

Служит для определения количественного соотношения фаз в двухфазных областях диаграммы состояния.

Через заданную точку диаграммы также необходимо провести коноду.

Обозначим: Q – количество сплава; Q_Ж – количество жидкой фазы; Q_А – количество аустенита.

Тогда справедливо , (см. рис. 5.3).

Приняв значение Q =1 или Q =100 % и измерив величины соответствующих отрезков на диаграмме состояния, можно определить значения Q_Ж и Q_А в долях от единицы или процентах.

На диаграмме имеются три горизонтальные линии, на которых происходят особые превращения.

а) Линия HJB (1499 °С) – перитектическое превращение.

Перитектическим называют такое превращение, когда жидкая фаза вступает во взаимодействие с ранее образовавшейся из неё твёрдой фазой, в результате чего образуется новая твёрдая фаза.

Ж_В + Ф_Н → А_J.

Это превращение происходит при постоянной температуре 1499 °С и постоянных концентрациях фаз.

б) Линия ECF (1147 °С) – эвтектическое превращение.

Эвтектическим называют такое превращение, когда из одной жидкой фазы одновременно кристаллизуется две твёрдые фазы.

Ж_С → А_Е +Ц_F.

Это превращение также происходит при постоянной температуре и строго определённой концентрации фаз. Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), А_Е+Ц_F=Л.

Ледебурит – это не фаза, а структурная составляющая, содержащая две фазы.

Под структурными составляющими понимают обособленные части сплава, имеющие при микроструктурном исследовании своё строение с присущими им характерными особенностями.

в) Линия PSK (727 °С) – эвтектоидное превращение.

Эвтектоидным называют такое превращение, когда из одной твёрдой фазы одновременно образуется две новые твёрдые фазы.

А_S → Ф_Р+Ц_К.

Это превращение также происходит при постоянной температуре и постоянной концентрации фаз.

Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом (П), Ф_Р+Ц_К=П. Перлит также, как и ледебурит, не фаза, а структурная составляющая.

Сплавы железа с углеродом, в которых содержание С≤2,14 % (то есть левее точки Е), называют сталями, а сплавы с содержанием С>2,14 % (правее точки Е) – чугунами.

Стали после затвердевания не содержат хрупкой структурной составляющей – ледебурита. При нагреве выше линии GSE стали имеют аустенитную структуру, которая обладает высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при высоких, а малоуглеродистые – и при низких температурах.

В отличие от сталей чугуны имеют более низкую температуру плавления. Они обладают лучшими литейными свойствами (хорошей жидкотекучестью, малой усадкой и др.) Это связано с присутствием в структуре чугуна легкоплавкой эвтектики-ледебурита.