Компоненты и фазы в системе железо - углерод

Кроме железа, рассмотренного ранее, в состав железоуглеродистых сплавов входит углерод. Углерод (С) является неметаллическим элементом, атомный номер 6, температура плавления 3500 ^оС. Углерод в обычных условиях находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в твердом и жидком состояниях, а также может быть в виде химического соединения - цементита (Fe₃C), а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы - феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и других примесей в α- железе. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (рис.39 б). Феррит пластичен, но обладает низкой прочностью и твердостью.

Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в γ - железе. Предельная растворимость углерода в γ - железе 2,14%. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна (рис.41 а). Аустенит облазает высокой пластичностью и низкими прочностными свойствами.

Рис.41. Микроструктура железа, х400: а - аустенит, б - феррит

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом - карбид железа (Fe₃C). В цементите содержится 6,67% С. До температур 210 ^оС (А₀) цементит ферромагнитен. Он обладает очень высокой твердостью и очень малой пластичностью. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

Графит - модификация углерода в равновесном состоянии. Он мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью.

Различают диаграммы состояния железо-углерод и железо-цементит. Первая диаграмма соответствует равновесному состоянию, вторая -метастабильному.

На диаграмме железо-цементит (рис. 42) дан фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). В таблице 2 представлены характерные точки этой диаграммы.

Точки N (1392⁰C) и G(911⁰C) соответствуют полиморфному превращению α↔γ.

Таблица 2

Характерные точки на диаграмме железо-цементит

Рис.42. Диаграмма железо-цементит

Линии диаграммы состояния Fe-Fe₃C имеют следующие обозначения и физический смысл.

АВСD - линия ликвидус, AHJECF - линия солидус. АВ показывает температуру, ниже которой происходит кристаллизация δ-феррита (Ф_δ) из жидкого сплава (Ж); ВС соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава; СD соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Fe₃C_I) из жидкого сплава; АН является температурной границей области жидкого сплава и кристаллов δ-феррита; ниже этой линии существует только δ-феррит; HJB - линия перитектического равновесия (1499⁰С) с протеканием перитектической реакции (жидкость состава точки В взаимодействует с кристаллами δ-феррита состава точки Н с образованием аустенита состава точки J):

Ж_В+Ф_Н®А_J

Линия ECF соответствует кристаллизации эвтектики - ледебурита (А_Е+Fe₃C):

Ж_С ®А_Е+Fe₃C.

Структура ледебурита характерна для эвтектического сплава, содержащего 4,3% углерода. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение (рис. 43). После охлаждения ниже температуры 727⁰С ледебурит представляет собой эвтектическую смесь перлита и цементита.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называются сталями, а сплавы, содержащие выше 2,14% углерода, чугунами.

Сплавы, содержащие менее 0,02% С (точка Р), называются техническим железом (рис. 44, а), имеющего структуру феррита.

При охлаждении ниже температуры 727⁰С (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция:

А_Е ® Ф_Р +Fe₃C.

Линия эвтектоидного превращения соответствует распаду аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида - ферритоцементитной структуры - перлита (Ф_Р +Fe₃C ) (рис. 44, ж).

Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% С, называются доэвтектоидными и после полного охлаждения имеют структуру избыточного феррита + перлит (рис. 44, б-е). В зависимости от возрастания содержания углерода будет увеличиваться перлитная составляющая и уменьшаться ферритная.

Рис.43. Микроструктура чугунов, х450: а - доэвтектический чугун (перлит, ледебурит, вторичный цементит), б - эвтектический (ледебурит), в - заэвтектический (первичный цементит и ледебурит)

Сталь, содержащая 0,8% С, называется эвтектоидной и после охлаждения имеет структуру перлита (рис. 44, ж). Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Стали, содержащие от 0,8 до 2,14% С, называются заэвтектоидными и после охлаждения имеет структуру перлита и избыточного цементита, который располагается по границам перлитных зерен (рис. 44, з). Выделение избыточного цементита в виде сетки или игл делает сталь хрупкой. Поэтому специальной термической обработкой и деформацией ему придают зернистую форму (рис. 44, и).

Рис.44. Микроструктура стали в зависимости от содержания углерода, х450: а - техническое железо, б-е - доэвтектоидные стали (б - 0,1% С, в - 0,22% С, г - 0,3% С, д - 0,4% С, е - 0,55% С), ж - эвтектоидная сталь (0,8% С), з-и - заэвтектоидные стали (з - 1,3% С, и - 1,1% С)

Чугуны, в зависимости от содержания углерода, подразделяются на доэвтектический (2,14 - 4,3% С, структура после охлаждения - перлит, ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит), эвтектический (4,3% С, структура после охлаждения - ледебурит (перлит + цементит)) и заэвтектические (более 4,3% С, структура - ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит) (рис. 43). С повышением содержания углерода количество цементита возрастает.

Сплавы железа с углеродом после окончания кристаллизации имеют указанную выше различную структуру. Однако фазовый состав всех сплавов одинаков: при температуре ниже 727⁰С они состоят из феррита и цементита.

Стали

Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 90 % изготавливается углеродистой стали и 10 % легированной. Таким образом, основным металлическим матери­алом промышленности является углеродистая сталь.

Углеродистая сталь промышленного производства — сложный по химическому составу сплав. Кроме основы — железа (содержание которого может колебаться в пределах 97,0—99,5 %), в ней имеется много элементов, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (марганец, кремний), либо невозмож­ностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород),а также случайными примесями (хром, никель, медь и др.).

В зависимости от способа выплавки (мартеновский, конвертерный и др.) стали разных производств различаются главным образом по содержанию этих примесей. Однако один элемент, а именно — углерод, вводится в простую углеродистую сталь специально.

Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначитель­ном изменении его содержания. Поэтому при малом содержании всех прочих возможных примесей основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сплава железа, является углерод.

С изменением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая 0,8 % С, состоит из одного перлита; в стали, содержащей больше 0,8 % С, кроме перлита, имеется вторичный цементит; если содержание углерода меньше 0,8 %, то структура стали состоит из феррита и перлита.

Как влияют на свойства стали изменения содержания углерода и соответственно структуры?

Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности. Существенно влияние углерода на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладно­ломкости и уменьшает удар­ную вязкость.