Основные структурные состояния стали при ее выплавке.

 

 

Графит имеет решетку типа ГПУ с очень малым атомным радиусом, составляющим 0,7Å, благодаря чему образуются сплавы типа твердого раствора внедрения С в желœезе. Плотность графита невелика и равна 2500 кг/м³, его прочность и твердость находятся также на невысоком уровне. Графит сохраняет стабильность в широком диапазоне давлений и температур, только под воздействием очень высоких их значений порядка 100 тыс. атм и 3000^оС происходит полиморфная перестройка в кубическую решетку алмаза.

Алмаз обладает плотностью 3500 кг/м³, по твердости он превосходит всœе известные природные материалы. При обычном давлении и нагреве до температур выше 1200^оС алмаз теряет свою стабильность и превращается в графит.

В системе Fe – C образуются несколько базовых фаз и равновесных структур.

Ф а з ы системы Fe – C включают жидкий расплав, феррит, аустенит, цементит, графит.

Жидкая фаза (Ж) представляет неограниченный раствор желœеза и углерода с равномерным распределœением их атомов при наличии металлической связи между ними за счёт валентных электронов.

Феррит (Ф) - ϶ᴛᴏ твердый раствор внедрения углерода в Fe_a c решеткой ОЦК, в которой при обычной температуре может растворяться не более 0,006% С, при температуре 727^оС растворимость достигает максимальной величины 0,02 %. Высокотемпературный феррит образуется как твердый раствор углерода в Fe_d c максимальной растворимостью 0.1% С при температуре 1499^оС. Атом углерода размещается в центре грани решетки ОЦК, а также в вакансиях и дислокациях структур Fe_a и Fe_d.

До температуры точки Кюри (768^оС) феррит является ферромагнитным, с повышением температуры он переходит в парамагнитное состояние.

Механические свойства феррита близки к свойствам технического желœеза˸ твердость – 800 НВ, прочность – σ_в = 250 МПа, пластичность – d = 50%.

Аустенитом (А) называют твердый раствор внедрения углерода в Fe_g c решеткой ГЦК и размещением атома углерода в центре объёма элементарной ячейки. Максимальная растворимость углерода в Fe_g составляет 2,14% при температуре 1147^оС, что значительно превышает предельное содержание углерода в феррите. Это объясняется тем, что межатомное пространство, крайне важно е для наиболее благоприятных условий внедрения атома углерода, в решетке ГЦК представляет центр ячейки с размерами намного больше, чем центр грани в решетке ОЦК.

Твердость аустенита составляет 2000 НВ, прочность – σ_в = 800 МПа, пластичность – d = 25%.

Цементит (Ц) является карбидом желœеза Fe₃C со сложной плотноупакованной ромбической решеткой. Он содержит 6,67 % С и обладает метастабильностью (неустойчивостью) так, что при нагреве еще до температуры плавления 1260^оС начинается его распад с образованием стабильных фаз желœеза и углерода. Межатомные связи в решетке цементита имеют металлический и ковалентный характер, и это придает ему типичные для промежуточной фазы высокую твердость 10000 НВ и отсутствие пластичности. До температуры 210^оС цементит проявляет слабые ферромагнитные свойства, при более высоких температурах он переходит в парамагнитное состояние.

Графит (Г) выделяется в виде фазовых включений в структуре желœезоуглеродистых сплавов при их затвердевании в случае медленного охлаждения.

Равновесные структурные составляющие системы Fe – C - ϶ᴛᴏ ледебурит и перлит.

Ледебурит (Л), названный в честь немецкого ученого А.Ледебура, является эвтектической смесью кристаллических зерен аустенита и цементита. Он возникает при завершении кристаллизации жидкой фазы при температуре 1147^оС и содержании в ней углерода более 2,14%. Жидкая фаза затвердевает с образованием и взаимным прорастанием цементитных пластин и аустенитных дендритов в равном количественном соотношении так, что концентрация углерода в ледебурите составляет 4,3%.

Механические свойства ледебурита обусловлены высоким содержанием углерода, а также его структурным состоянием и характеризуются большой твердостью 7000 НВ и повышенной хрупкостью.

Перлит (П) образуется в результате полиморфного превращения аустенита в феррит и диффузионного обогащения углеродом прилегающих аустенитных слоев, чем создаются пластины цементита. Эти превращения представляют эвтектоидный распад аустенита так, что перлит является эвтектоидной смесью зерен феррита и цементита͵ содержащей 0,8% С. Указанные процессы протекают в сплавах с концентрацией углерода более 0,02% при температуре 727^оС.

Механические свойства перлитной структуры определяются наличием в ней смеси зерен мягкого феррита и твердого цементита͵ что придает перлиту благоприятное сочетание твердости 2200 НВ, прочности σ_в = 900 МПа, пластичности d = 20%.

Желœезоуглеродистые сплавы с концентрацией углерода более 5% становятся малопрочными и высокохрупкими, в связи с этим не имеют технического значения. Из-за этого на оси концентраций диаграммы в качестве предельного содержания углерода принята величина 6,67%, соответствующая его концентрации в цементите.

Диаграмма состояния желœезоуглеродистых сплавов может рассматриваться в двух вариантах˸ как метастабильная система Fe – Fe₃С и как стабильная система Fe – C. Это связано с тем, что при замедленном охлаждении сплавов углерод кристаллизуется с образованием химического соединœения в виде цементита͵ а при очень медленном охлаждении выделяется свободный графит из жидкофазного, твердофазного растворов, а также при распаде цементита. Этот процесс принято называть графитизацией сплавов, чему способствует также присутствие в сплаве графитизирующих добавок Si, Ni, Al.