Структура и физические свойства сплавов железо-углерод

Рисунок 2.6 – Диаграмма состояния железо-углерод

 

Основой для определения структуры и свойств железоуглеродистых сплавов является диаграмма состояния железо-углерод (рисунок 2.6). Данная диаграмма показывает, какие фазы и структурные составляющие существуют в различных температурных интервалах при разном содержании углерода.

На диаграмме точка 2,14% по оси абсцисс делит ее на две части. Левее данной точки находится область сталей, правее располагается область чугунов. До концентрации 0,8% находятся доэвтектоидные стали, после 0,8% - заэвтектоидные.

С ростом содержания углерода в стали увеличивается предел прочности, текучести и твердости. В тоже время ударная вязкость и относительное удлинение уменьшаются. Обычные конструкционные стали имеют предел прочности порядка 300…700 МПа и должны без какой – либо обработки хорошо свариваться. При большом содержании углерода это становится затруднительным, особенно при таком его содержании, как в чугунах.

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

Железо – переходной металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – около 1539 ^оС.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911^оС и 1392 ^оС. При температуре ниже 911 ^оС существует модификация железа с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392 ^оС устойчивой является модификация железа с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392^оС железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное железо. Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы.

При температуре ниже 768 ^оС железо ферримагнитно, а выше – парамагнитно.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности 250 МПа, предел текучести 120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение 50 %, а относительное сужение 80 %). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 ^оС, плотность – 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 ^оС).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в некоторых чугунах).

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в железо. Имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную 0,006% при комнатной температуре, максимальную – 0,02 % при температуре 727 ^оС. Углерод располагается в дефектах кристаллической решетки, так как расстояние между атомами в модификации железа с объемно-центрированной кубической решеткой меньше диаметра атома углерода.

Физические свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности 300 МПа) и пластичен (относительное удлинение 30 %).

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в железо. Расстояние между атомами в модификации железа с гранецентрированной кубической решеткой больше, чем диаметр атома углерода, что позволяет последнему образовывать с железом твердые растворы внедрения.

Аустенит имеет переменную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727 ^оС, максимальную – 2,14 % при температуре 1147 ^оС.

Твердость аустенита равна 200…250 НВ, относительное удлинение – 40…50 %. Аустенит парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут меняться его свойства и температурные границы существования.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом, карбид железа (Fe₃C), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250…1550 ^оС). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре 217 ^оС.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую пластичность. Такие свойства у него проявляются по причине сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, ванадием и др. Такой раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Карбид железа является химически неустойчивым компонентом и легко распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита. Образуется в результате распада аустенита при его охлаждении. Перлит может быть пластинчатым или зернистым. Это определяет его механические свойства.

Ледебурит (Л) – эвтектика аустенита и цементита. Является твердым и хрупким металлом. При температуре ниже 727 ^оС состоит из цементита и перлита.

 

2.6 Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов

 

Линия АСD – ликвидус системы. На участке AC начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного.

Линия AECF – линия солидус.

При температуре ниже 727^o С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).

По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

По линии E S начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

По линии МО при постоянной температуре 768^o С имеют место магнитные превращения.

По линии PSK при постоянной температуре 727^o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret – остановка):

А1 – линия PSK (727 ^o С) – превращение П А;

A2 – линия MO (768^o С, точка Кюри) – магнитные превращения;

A3 – линия GOS (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф А;

Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е , при охлаждении – букву r, т.е. .