Сплавы на основе железа

Диаграмма состояния «железо — углерод»

Диаграмма состояния «железо — углерод» дает представление о строении железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов (рис. 5.1). Первое представление о диаграмме состояния «железо — углерод» дал Д. К. Чернов, который в 1868 г. отметил существование в стали критических точек и их зависимость от содержания в стали углерода, т. е., по сути, впервые указал на полиморфизм железа.

В зависимости от температуры железо может существовать в двух модификациях — ОЦК (Fe_a) и ГЦК (Fe_y). Модификация Fe_a существует при температурах до 911 °C. Период ОЦК-решетки безуглеродистого железа равен 0,286 нм при температуре 20—25°С. Модификация Fe_y существует в интервале температур от 911 до 1392 °C. Период ГЦК-решетки железа при температуре 91 ГС равен 0,364 нм. При температурах выше 1392 °C железо имеет ОЦК-рсшетку и его обозначают Fe₅.

Рис. 5.1. Диаграмма фазового состояния системы Fe—Fe₃C.

Содержание углерода в диаграмме «Fe—С» ограничивается 6,67%, так как при этой концентрации образуется химическое соединение — карбид железа (Fc^C), или цементит, который и является вторым компонентом данной диаграммы.

Система Fe —Fe₃C метастабильпая. Образование цементита вместо графита дает меньший выигрыш свободной энергии, но кинетическое образование карбида железа более вероятно.

Точка А (1539°С) отвечает температуре плавления железа, точка D — температуре плавления цементита (точно нс определена в связи с его распадом при нагреве), точки Л'(1392°С) и G (91 ГС) соответствуют полиморфному превращению Fe_a •>—" Fe_Y.

В системе «железо — углерод» существуют следующие фазы: жидкая фаза, твердые растворы на основе a-железа (феррит) и на основе у-железа (аустенит), а также химическое соединение Fe₃C (цементит).

Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его мстастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз.

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в а-железо — принято обозначать Fe_a. При температуре 727 °C максимальная растворимость углерода в феррите составляет 0,02%; при температуре 20 °C в феррите растворяется около 0,006% углерода. Свойства феррита близки к свойствам железа. По своим свойствам феррит достаточно мягок и пластичен (НВ 80—100; о_в = 300 МПа; 5 = 40%, у = 70%), магнитен до 768 °C (линия МО).

Аустенит (А) — твердый раствор внедрения углерода в у-железо — принято обозначать Fe_y. При температуре 1147 °C аустенит содеожит до 2,14% углерода, а при 727 °C — 0,8% углерода. Аустенит имеет следующие механические свойства: IIB 160—200; 6 = 40-^50%, не магнитен.

Цементит (Ц) — карбид железа (Fc₃C), содержит до 6,67% углерода, имеет сложную ромбическую реше тку с плотной упаковкой, а томов. При нормальных условиях он очень твердый (800 НВ) и соответственно очень хрупок, пластичность у него практически нулевая.

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния (см. рис. 5.1) следующая: В — 0,51% С в жидкой фазе; Н — 0,1% С в 5-феррите при температуре 1499 °C;У — 0,16% С при 1499 °C — в аустените; Е — 2,14% С — предельное содержание в аустените при 1147 °C; S — 0,8% С в аустените при температуре 727 °C; Р — 0,02% С — предельное содержание в феррите (Fc_a(C)) при 727 °C.

Линии диаграммы состояния Fe—Fe₃C имеют следующие обозначения: АВ (линия ликвидуса) указывает температуру начала кристаллизации 8-феррита из жидкого сплава; ВС (линия ликвидуса) — температуру начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава; CD (линия ликвидуса) — начало кристаллизации первичного цементита (Fe₃C) из жидкого сплава, следовательно, вся линия ликвидуса — ABCD.

Теперь рассмотрим линию солидуса — AIIJECF. Ниже этой линии система находится только в твердом состоянии. AHNявляется областью существования кристаллов 5-феррита, Fe§© называют высокотемпературным ферритом с решеткой ОЦК.

Превращения в сплавах системы «Fe — Fe₃C» происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых линиями ликвидуса и солидуса. Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа из одной модификации в другую (полиморфизм) и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите. При понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно.

Линия АН является температурной границей области жидкого сплава и кристаллов 5-фсррита; HJB — линия псритектической реакции т. е. жидкий расплав состава В взаимодействует с кристаллами 5-феррита состава Я с образованием аустенита состава J.

Линия ECF — линия эвтектического превращения, которое происходит при температуре 1147 °C. В результате эвтектического превращения образуется эвтектика, которая называется ледебурит:

PSK — линия эвтсктоидного превращения:

При охлаждении идет распад аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида (перлит).

Эвтектоидное превращение происходит аналогично кристаллизации эвтектики, но не из жидкого, а из твердого раствора.

Ледебурит (Л) — механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода.

Перлит (П) — механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит состоит из пластинок цементита в ферритной основе, на протравленном шлифе имеет блеск перламутра, отсюда и название — перлит. Свойства перлита: а = 800—900 МПа, сто,₂ = 450 МПа, 5 ^ 16%; НВ 180−220.

Цементит имеет почти неизменный состав по углероду. Выделяющийся из жидкости цементит, но линии CD — первичный, из аустенита по линии ES — вторичный, а по линии PQ из феррита — третичный. По своим свойствам первичный цементит не отличается от вторичного и третичного.

Превращения: перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное — происходят при постоянной температуре в соответствии с правилом фаз (С = К — Ф + 1).

В системе Fe—С имеются две большие группы сплавов: стали и чугуны.

Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С. Сталь, содержащую 0,8% С, называют эвтектоидной. Если в стали углерода менее 0,8%, то ее называют доэвтектоидной, а при содержании углерода более 0,8%, но < 2,14% С — заэвтектоидной.

Доэвтектоидная сталь (рис. 5.2, а) состоит из феррита (светлая составляющая) и перлита (темная составляющая), эвтектоидная сталь (рис. 5.2, б) — только из перлита; заэвтектоидная сталь (рис. 5.2, в) состоит из перлита (темная составляющая) и вторичного цементита (светлая составляющая в виде сетки).

Необходимо помнить, что в реакции эвтектоидного превращения нет жидкой фазы и ее можно записать в следующем виде:

Механические свойства перлита: НВ 1800, а_в = 800 МПа, 5 = 10%.

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Чугун, содержащий углерода больше 2,14%, но меньше 4,3%, называют доэвтектическим. Чугун, содержащий 4,3% С, называют эвтектическим, а содержащий углерода более 4,3%, но менее 6,67% — заэвтектическим. Сплавы, содержащие углерода более 6,67%, практического значения не имеют. Доэвтектический чугун (рис. 5.3, а) имеет структуру перлита, ледебурита (перлит +.

Рис. 5.2. Микроструктура сталей:

а — структура доэвтектоидной стали 40 (х200); б — структура эвтектоидной стали У8 (хЮОО); в — структура заэвтектоидной стали У12 (х200).

Рис. 5.3. Микроструктуры чугунов:

а — доэвтектический (х500); б — эвтектический (х500); в — заэвтектический (х500).

+ цементит) и вторичного цементита. Эвтектический чугун (рис. 5.3, б) состоит только из ледебурита (перлит + цементит). Заэвтектический чугун (рис. 5.3, в) состоит из первичного цементита, имеющего форму пластин, и ледебурита (перлит + цементит).