Фазы в железо-углеродистых сплавах.

Сталь – сплав железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14%.

Чугун – сплав железа с углеродом с содержанием углерода от 2,14% до5%.

Углерод может растворяться в решетке железа, создавая твердые растворы внедрения. Нерастворившийся углерод находится или в химически связанном состоянии цементит (Fe₃C), или в свободном состоянии графит.

В Fe углерод теоретически не может раствориться, т.к. для размещения атомов углерода в о.ц.к. – решетке нет достаточно больших пор. Из-за наличия дефектов кристаллического строения растворимость есть, но очень маленькая:

Fe содержит 0,006% С при комнатной температуре, при повышении температуры растворимость увеличивается и достигает максимума 0,02% С при 727⁰С.

Твердый раствор углерода вFe называется ферритом (от слова Ferrum – железо).

Феррит – это почти чистое железо, он мягкий (НВ60-80), пластичный ( =50%) и непрочный 250-300 МПа (2530 кгс/мм²); =12 (120 МПа) кгс/мм².

Решетка Fe хорошо растворяет углерод, т.к. в центре имеется пора диаметром 1,02 А⁰, где и размещается атом углерода (рис. 6.3), который имеет диаметр 1,54 А⁰, решетка железа при этом искажается.

Рис. 6.3 Кристаллическая решетка Fe (C) - -раствора (аустенита)

Наибольшая растворимость углерода в Fe составляет 2,14%, с понижением температуры растворимость падает и при 727⁰С составляет 0,8% С.

Твердый раствор углерода в гамма-железе называется аустенитом.Аустенит вязкий, пластичный, немагнитный. Твердость и прочность его зависят от температуры и содержания углерода.

Химическое соединение железа с углеродом Fe₃C (карбид железа) называется цементитом. Цементит содержит 6,67% С. Он очень твердый (НВ800) и хрупкий (по механическим свойствам напоминает стекло, но более твердый). Цементит имеет сложную кристаллическую решетку, в которой атомы железа и углерода занимают определенные места. Если цементит выделяется из жидкого раствора, то он называется первичным, эти зерна обычно крупные. Если цементит выделяется из аустенита, то он называется вторичным и обычно располагается в виде сетки по границам аустенитных зерен. Цементит третичный выделяется в виде мелких включений по границам ферритных зерен.

Графит – чистый углерод, имеет гексагональную решетку Г6, где атомы в плоскости базиса связаны прочно, а межбазисные связи очень слабы, в результате чего графит легко расслаивается (рис. 6.4). Твердость, прочность и пластичность графита близки к нулю.

Углерод в виде графита содержится обычно в чугунах. В зависимости от формы присутствия углерода в сплавах, существуют диаграммы Fe-Fe₃C

(железо-цементит) и Fe-C (железо- графит).

Рис. 6.4.Кристаллическая структура графита

В сталях углерод обычно содержится в виде Fe₃C, поэтому для них используется диаграмма Fe-Fe₃C (см. рис. 6.5).

Рис. 6.5 Диаграмма Fe-Fe₃C (указаны только однофазные области)