Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Основными компонентами сплавов железо-углерод являются железо, углерод и цементит.

1. Железо – металл серебристо-белого цвета с температурой плавления – 1539^o С.

Абсолютно чистое железо неизвестно. В настоящее время получено железо, с чистотой 99,999%. Технически чистое железо содержит 99,8-99,9% Fe, такое железо называют «армко железо» и используют в электротехнике как магнитный материал. Свойства абсолютно чистого железа и технического железа отличаются.

Железо при нормальной температуре имеет ОЦК решетку и обозначается α-Fe. Полиморфные превращения происходят при температурах 911^o С и 1392^o С. При температуре ниже 768^o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768^o С обозначается А₂.

В виде площадок на кривой нагревания отмечены критические точки про нагревании: Ас2, Ас3, Ас4 и охлаждении Аг4, Аг3, Аг2 (А – arrete – остановка, с-choffage – нагрев, г- refroidissment – охлаждение).

Технически чистое железо имеет твердость 80 НВ. 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.

2. Углерод – неметаллический элемент, температура плавления – 3500 ⁰С. В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита Ц (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

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

Температура плавления цементита точно не установлена и принимается равной 1550^o С. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^o С.

Цементит имеет твердость более 800 НВ, но чрезвычайно низкую пластичность. Чем больше цементита в сплавах, тем сплав тверже, и тем менее пластичен.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов. В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный – продукт распада аустенита. Цементит третичный – продукт распада феррита, концентрирующийся у границ ферритных зерен.

2. Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в α-железе.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: до 0,02 % при температуре 727^o С ( точка P).

При температуре выше 1392^o С существует высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^o С (точка J)

Феррит имеет твердость – 130 НВ. сильный ферромагнетик до 768^o С.

3. Аустенит (А) твердый раствор углерода в γ-железе.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727^o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147^o С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – ), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Ледебурит – эвтектическая структура чугуна, состоящая из аустенита и цементита. Крисстализуется при температуре 1147⁰ С, содержит 4,3% углерода. Твердость НВ – 650.

5. Перлит (жемчуг) – имеет перламутровый отлив среза, эвтектическая сосотавляющая стали, включающая феррит и цементит, образующаяся при распаде аустенита при температуре 727 С. Образуется как в сталях, так и в чугунах, и имеет важную роль в формировании механических характеристик сплавов. Твердость НВ=200.