Фазы и структуры в железоуглеродистых сплавах.

Основные характеристики железа и углерода.

Железоуглеродистые сплавы являются важнейшими металлическими сплавами, при-меняемыми в современной технике. Основным компонентом является железо. Чистое железо – металл серебристо-белого цвета с молекулярной массой 55,8 и чистотой 99,999%. Техническое железо содержит 99,8-99,9% Fe. Тпл. 1539⁰С. Известны 2 полиморфные модификации Fe: a и g. a-Fe существует при температуре ниже 910⁰С и выше 1392⁰С. В интервале 1392-1539⁰С a-Fe обозначают δ-Fe.

Для a-Fe характерна ОЦК решетка. До температуры 768⁰С железо магнитно. Критичес-кую точку (768), соответствующую магнитному превращению называют т. Кюри и обозначают т. А₂. В этой точке происходит переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов термической об-работки. С увеличением степени чистоты магнитная проницаемость увеличивается.

При температуре 910-1392⁰С существует g-Fe, оно парамагнитно. Критическую точку превращения a-Fe↔g- Fe при 910⁰С обозначают А_С3 (при нагреве) и Ar₃ (при охлаждении). Критическую точку перехода a↔γ-Fe при 1392⁰С обозначают Ас₄ (при нагреве) и Аr₄ (при ох­лаждении).

Кристаллическая решетка γ-Fe – гранецентрированный куб (ГЦК). Плотность γ-Fe выше, чем a-Fe.

Углерод – неметаллический элемент П периода ΙV группы таблицы Менделеева с мо-лекулярной массой 12,01. Тпл. 3500⁰С. Углерод полиморфен. При нормальных условиях ста­бильна модификация графита, алмаз представляет собой его метастабильную форму. При высо­ких давлениях и температурах стабильной становится форма алмаза.

Углерод растворим в железе, как в жидком, так и в твердом состоянии, а также образует химическое соединение – карбид Fe-Fe₃C.

Фазы и структуры в железоуглеродистых сплавах.

Фазы в сплавах железо-углерод представляют собой жидкий сплав, твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и свободный углерод в виде графита. Структуры – перлит, ледебурит.

Феррит (Ф или α) – твердый раствор внедрения углерода в a-Fe. Он имеет ОЦК ре­шетку, растворимость в которой углерода мала. Различают низкотемпературный и высокотем-пературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном Ф – 0,02%, минимум 0,002%, в высокотемпературном – 0,1%. Низкая растворимость углерода в a-Fe обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Атом углерода располагается в центре грани куба. Значительная доля атомов углерода размещается на дефектах (вакансиях, дислокациях).

Кроме углерода феррит растворяет N₂ (твердый раствор внедрения) и легирующие металлы (твердые растворы замещения).

Феррит – мягкая, пластичная фаза, НВ 80-90.

Аустенит (А или γ) (Аустен – английский ученый) – твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe. Имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой почти в 2 раза больше, чем в ОЦК. Растворимость углерода в γ-Fe достигает 2,14%. Аустенит также может растворять другие элементы, причем металлы образуют твердые растворы замещения. Аустенит пластичен, но более прочен, чем феррит, НВ 160-200.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – Fe₃C. Содержит 6,67% углерода и имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. При нормальных условиях цементит тверд (НВ 800) и хрупок. Он слабо ферромагнитен до температуры 210⁰С (т. А₀). Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит. При высокой температуре цементит неустойчив и разлагается на графит и аустенит, поэтому Тпл. точно не определена и принимается приблизительно 1550⁰С.

В цементите железо может замещаться Mn, Cr и другими металлами, углерод – частично азотом.

Графит - углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Он имеет гексагональную слоистую кристаллическую решетку. Межатомное расстояние в решетке небольшое. Графит огнеупорен, электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.

Перлит – механическая смесь, состоящая из очень мелких пластинок, или зернышек цементита, расположенных в ферритной основе. Перлит является эвтектоидом. Эвтектоидом называется характерная равномерная пластинчатая или зернистая микросмесь, подобная эвтектике, но, в отличие от нее, образующаяся не из жидкого состояния, а при превращении твердого раствора.

Эвтектоиды, как и эвтектики, встречаются не только в сплавах железо – цементит (Fe-Fe₃C), но и в других сплавах.

Поверхность травленого шлифа эвтектоидной стали имеет вид перламутра, отсюда и название (перлит).

В сплавах Fe-С, не содержащих примеси других компонентов, чистый перлит образуется при содержании 0,8% углерода. В сталях и чугунах, содержащих Si, Mn и другие элементы, чистый перлит получается при меньшем количестве углерода.

В зернистом перлите цементит имеет шарообразную форму. Такая структура часто встречается в высокоуглеродистых сталях, после специальной термической обработки (на зернистый перлит (цементит)). Механические свойства перлита зависят от дисперсности (степени измельчения) частичек цементита. Чем грубее и крупнее в перлите цементитные выделения, тем ниже его механические свойства. Твердость зернистого перлита колеблется в пределах НВ 160-220, а пластинчатого 200-250.

Ледебурит – (название в честь немецкого металлурга Ledebura) представляет собой эвтектику, состоящую [в момент образования] из цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом. Содержание углерода в ледебурите 4,3%. Ледебурит отличается большой твердостью (НВ более 700) и хрупкостью. Ледебурит встречается в структуре белых и половинчатых чугунов. Имеет сотовое или пластинчатое строение. При медленном охлаждении – сотовое, при быстром – пластинчатое.

3. Диаграмма состояния сплавов Fe-Fe₃C

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом охватывает не все сплавы, содержащие от 0 до 100% углерода, а только часть их с содержанием от 0 до 6,67%, так как сплавы с более высоким содержанием углерода практического применения не имеют.

Рассмотрим подробно вначале систему Fe-Fe₃C (100% цементита соответствуют 6,67% углерода), затем систему Fe-С (железо - графит) также до содержания углерода 6,67%.

Диаграмма Fе - Ц характеризуется следующим: железо с углеродом полностью растворимы друг в друге в жидком состоянии, при кристаллизации образуют химическое соединение Fe₃C, ограниченные твердые растворы внедрения углерода в α- и γ- Fe. При охлаждении в твердом состоянии сплавы железо – углерод претерпевают аллотропическое и эвтектоидное превращения.

По горизонтальной оси диаграммы Fе-Fe₃C откладывается содержание “С” от 0 до 6,67%, а по вертикальной оси – температура. Каждая точка на диаграмме характеризует определенный состав сплава при определенной температуре:

Таблица 2

Линия АВСД (ликвидус) – начало затвердевания сплавов Fe-Fe₃C. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.

Линия AHIECF – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

Линия АВ – начало выделения из жидкого раствора кристаллов феррита. Состав жидкой фазы при понижении температуры будет меняться по линии АВ – ликвидус, а состав твердой фазы по линии АН (солидус). При достижении температуры 1499⁰С состав жидкой фазы будет соответствовать т. В, а состав твердой фазы – т. Н. Жидкость и феррит при этой температуре будут реагировать между собой, в результате чего образуются новые кристаллы – кристаллы аустенита состава, соответствующего т. I. Это превращение носит название перитектического. Следовательно, HIB – перитектическая горизонталь, соответствующая температуре перитектического превращения.

Реакция образования перитектики протекает следующим образом:

Для образования 100% А состава точки I необходимо, чтобы количество жидкой фазы было пропорционально отрезку IН, а количество твердой фазы отрезку ВI. Таким образом, для сплавов, расположенных левее т. I при перитектической реакции не весь феррит пойдет на образование аустенита, часть феррита останется в виде избыточной фазы. Ниже перитектической температуры структура таких сплавов будет состоять из феррита и аустенита. Для сплавов, лежащих правее т. I в избытке будет жидкая фаза. Ниже перитектической температуры будут существовать также 2 фазы: L и А. На линии перитектики всегда находятся в равновесии 3 фазы определенного состава. В данном случае А_0.16%С, Ф_0,1%С и L_0,51%С.

Линии ВС и ДС – температуры начала кристаллизации аустенита (ВС) и первичного цементита (ДС). При выделении кристаллов аустенита из жидкой фазы ее состав будет обогащаться углеродом и, по мере понижения температуры, изменяться по линии ВС (ликвидус). Состав твердой фазы (А) при этом будет обогащаться углеродом и изменяться по линии IE (солидус).

При выделении из жидкой фазы кристаллов первичного цементита, состав ее будет обедняться углеродом и изменяться с понижением температуры по линии ДС (ликвидус). Состав твердой фазы (Ц) при этом постоянный.

При достижении температуры 1147⁰С жидкая фаза состава 4,3% С будет кристаллизоваться с образованием эвтектической (механической смеси), состоящей из аустенита состава т. Е и цементита состава т. F. Следовательно, линия ЕСF обозначает эвтектическую температуру, т.е. температуру образования ледебурита. Реакция образования ледебурита:

При этом в равновесии находятся всегда 3 фазы определенного состава: L_4,3%C; A_2,14%C; Fe₃C_6,67%C.

Для образования 100% ледебурита необходимо, чтобы количество цементита было пропорционально отрезку ЕС, а количество аустенита – отрезку CF.

Следовательно, для сплавов, расположенных левее т. С, в избытке находится аустенит, и структура таких сплавов после затвердевания состоит из аустенита и ледебурита. Для сплавов, расположенных левее т. С, в избытке находится Fe₃C_Ι, поэтому структура этих сплавов после затвердевания состоит из первичного цементита и ледебурита.

При дальнейшем охлаждении затвердевших железоуглеродистых сплавов ниже линии HIECF (солидус) происходят процессы, связанные с уменьшением растворимости углерода в γ и α-Fe, а также процессы, которые обусловливаются аллотропическими и полиморфными превращениями железа.

Линии GS и ES – соответствуют началу вторичной кристаллизации феррита (GS) и вторичного цементита (ES) из аустенита. Состав аустенита при понижении температуры меняется. Для сплавов, лежащих левее т. S – по линии GS, для сплавов, лежащих правее т. S – по линии ES. При достижении температуры 727⁰С состав аустенита соответствует т. S – 0,8%С.

Аустенит состава т. S превращается в эвтектоидную (механическую) смесь, состоящую из феррита состава т. Р и цементита состава т. К. Смесь носит название перлита. Линия PSK обозначает температуру образования перлита – эвтектоида. Реакция образования перлита:

Образование эвтектоида так же, как и эвтектики происходит при строго определенной температуре. В равновесии находятся 3 фазы определенного состава: А_0,8%С; Ф_0,02%С; Fe₃C_6,67%C; число степеней свободы С=0.

Для образования 100% перлита необходимо, чтобы количество цементита было пропорционально отрезку SP, а количество феррита – отрезку SK. Из диаграммы видно, что для сплавов, находящихся левее т. S в избытке феррит. Структура таких сплавов ниже температуры эвтектоидного превращения состоит из перлита и феррита.

Для сплавов правее т. S в избытке находится вторичный цементит. Структура этих сплавов состоит из перлита и вторичного цементита.

Линия PG обозначает температуру конца вторичной перекристаллизации аустенита в феррит. При охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже линии PSK начнется третичная перекристаллизация, связанная с уменьшением растворимости углерода в феррите.

Линия PQ обозначает температуру начала кристаллизации третичного цементита из феррита. Линия МО – соответствует температуре 768⁰С (т. Кюри, А₂).

В технических сплавах Fe-С, чугунах, содержащих значительное количество Si, углерод выделяется из жидкого сплава и из аустенита в форме графита. Три линии на диаграмме состояния (АС, АЕ и GS) являются общими. Остальные сплошные и пунктирные линии не совпадают, прежде всего потому, что при всех температурах предел растворимости углерода в железе меньше, чем цементита. Эвтектическая и эвтектоидная температуры у системы Fe-C выше, чем у системы Fe-Fe₃C.

На практике обе эти системы могут встречаться вместе.