Основные структурные составляющие сплавов Fe – C

1.Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода С в α-Fe. Атомы углерода расположены в решетке феррита в центре грани куба,

ввакансиях и на дислокациях. Максимальная растворимость С в α-Fe – 0,02% при 727°С. При 20°С – примерно 0,006%. Феррит на диаграмме состояния занимает область GPQ (рис. 30).

При температуре 1499°С содержание углерода в δ-Ф достигает 0,1%. Высокотемпературная модификация δ-Ф имеет свойства чистого железа: легко куется, обладает высокой пластичностью. Занимает область левее линии AHN (рис. 30).

Структура сплава с содержанием углерода до 0,025% состоит из феррита и третичного цементита, располагающегося по границам зерен феррита (рис. 26, в). Выделение цементита происходит в связи с тем, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите падает.

2.Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe. Атом углерода расположен в центре кристаллической решетки γ-Fe и

вдефектных областях кристалла. Содержание С достигает 2,14% при 1147°С (точка Е, рис. 30). Однофазная область аустенита ограничена линией NJESG. Свойства: сохраняется вязкость, твердость – 160 НВ. Расположенный в центре элементарной γ-ячейки растворенный атом С окружен шестью атомами Fe. Эти атомы образуют октаэдр. Остальные полости кристаллической решетки искажаются и становятся не-

доступными для атома С (его размеры больше размера полости). Углерод и железо в аустените находится в виде ионов С2+; Fe+. (Доказательство – явление «электролиза» аустенита, под действием постоянного тока углерод перемещается к катоду).

3.Цементит (Ц) – химическое соединение, карбид железа Fe3C. Состав: 75 ат. % Fe и 25 ат. % (6,67 мас. %) С. Имеет сложную орторомбическую решетку с плотной упаковкой атомов (рис. 27). Твердость более 800 НВ (царапает стекло), очень низкая пластичность. Температура плавления точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается равной примерно 1500°С (по некоторым данным 1250°С).

Цементит неустойчив, может распадаться с образованием свободного углерода в виде графита. Может образовывать твердые растворы

замещения (легированный цементит Ме3С): углерод может замещаться на азот, кислород; железо – на хром, марганец, вольфрам.

31

0,4515

0,6726

Рис. 27. Кристаллическая структура цементита

Всплавах с относительно невысоким содержанием углерода (сталях) цементит достаточно устойчив, и графит в них может появляться лишь последлительнойвыдержки(тысячичасов) притемпературах500–700°С.

Всплавах с высоким содержанием углерода (чугунах) графит часто образуется при медленном охлаждении или при нагреве и кратковременной выдержке при повышенной температуре. Поэтому существует два варианта диаграммы железо – углерод: железо – цементит (метастабильная) (pиc. 30), полученная при относительно небольших скоростях охлаждения (несколько градусов в минуту), и железо – графит (стабильная), полученная при очень медленном охлаждении.

Система железо – графит является более близкой к состоянию полного равновесия, чем железо – цементит, но последняя имеет большее практическое значение (с ее помощью объясняют превращения в сталях и белыхчугунах, определяютоптимальныережимытермообработки).

4. Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита Ф + Ц, имеет вид перламутра. Образуется при распаде аустенита при температуре 727°С:

А→ Ф + Ц при С = 0,83%.

П

В зависимости от формы цементита различают:

а) пластинчатый перлит, в котором цементит и феррит имеют форму пластин (рис. 28), образующих равномерную механическую смесь, похожую на перламутр;

32

б) зернистый перлит, в котором цементит имеет форму зерен (рис. 29), расположенных в феррите. Структуру зернистого перлита получаютпутемспециальнойтермическойобработкиназернистыйперлит.

Зернистый перлит более пластичен и имеет меньшую твердость, чем пластинчатый. Твердость пластинчатого перлита 200–250 НВ, зернистого 160–220 НВ.

5. Ледебурит (Л) – эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита А + Ц.

L → А + Ц при С > 2,14%.

Л

При t = 727°С аустенит переходит в перлит, поэтому при t < 727°С ледебурит – это смесь перлита и цементита.

Диаграмма состояния Fe – Fe3C

Фазы: жидкий расплав (L), твердые растворы – аустенит (А) и феррит (Ф), химическое соединение – цементит (Ц).

Структурные составляющие: Ф, А, Ц, П, Л.

ЦI – цементит первичный, выделяется из расплава;

ЦII – цементит вторичный, выделяется из аустенита;

ЦIII – цементит третичный, выделяется из феррита. Рассмотрим горизонтальные линии диаграммы (рис. 30). 1499°С HJB – перитектическая реакция: LB + ФН ↔ АJ .

1147°С ECF – эвтектическая реакция: LС ↔ AЕ + ЦF .

Л

727°С PSK – эвтектоидная реакция: АS ↔ ФР+ ЦK .

П

Структурное состояние железоуглеродистых сплавов сложнее, чем фазовое, так как кристаллические фазы, во-первых, образуют сложные

33

34

Рассмотрим стальной участок диаграммы (рис. 33).

Согласно стальному участку диаграммы, все углеродистые стали по равновесной структуре делят на классы:

1) доэвтектоидные стали (содержание углерода до 0,8%) – это стали со структурой Ф либо (в основном) – Ф + П (феррит в избытке) (рис. 31). При увеличении содержания углерода увеличивается количество перлита, а феррита уменьшается;

Рис. 31. Микроструктура доэвтектоидных сталей:

а– сталь 20; б – сталь 45; в – сталь 60

2)эвтектоидные стали (содержание углерода ≈0,8%) – это стали со структурой перлита;

3)заэвтектоидные стали (содержание углерода от 0,8 до 2,0%) –

это стали со структурой П + ЦII, в структуре – вторичные карбиды.

В заэвтектоидной стали вторичный цементит обычно расположен

ввиде светлой сетки либо светлых зерен (цепочки) по границам перлитных зерен или в виде игл (рис. 32).

Выделение вторичного цементита по границам зерен аустенита и перлита в виде пластинок нежелательно, так как такая структура обладает повышенной хрупкостью, плохо обрабатывается резанием и после окончательной термической обработки готовые детали (инструмент) будут иметь пониженные механические свойства, главным образом малую пластичность и ударную вязкость. Поэтому стремятся получать цементит в виде мелких зерен округлой формы. Структура зернистого перлита (рис. 29) является исходной структурой для

инструментальных сталей;

35

4) ледебуритные стали (содержание углерода >2%). Ледебурит должен быть в чугунах, но в легированных сталях он образуется раньше, при содержании углерода ≈2%. Большинство легирующих элементов сдвигают точки S и Е в сторону меньшего содержания углерода.

а б

Рис. 32. Микроструктура заэвтектоидной стали У12 – 1,2% С (перлит + цементит вторичный):

а – в виде игл; б – в виде сетки по границам зерен

Построим кривые охлаждения сталей различного состава (рис. 33) –

сплавовI, II, III, IV.

Сплав I:

0–1 – охлаждение А; 1–2 – процесс вторичной кристаллизации А→ Ф (γ→ α-превра-

щение); т. 2 – процесс изменения решетки закончен;

2–3 – охлаждение Ф;

3–4 – при охлаждении из Ф→ ЦIII. Сплав II (сталь 40):

0–1 – охлаждение А; 1–2 – процесс вторичной кристаллизации А→ Ф (γ→ α-превра-

щение);

2–2' – эвтектоидная реакция А→ Ф + Ц;

П

36

37

2'–3 – при охлаждении механической смеси из Ф→ ЦIII (он структурно не обнаруживается).

Сплав III (содержание С≈0,81%): 0–1 – охлаждение А; 1–1' – А→ П;

1'–2 – Ф→ ЦIII (перлитная структура). ЦIII структурно не обнаруживается.

Сталь IV (инструментальная сталь с содержанием С≈1,3%): 0–1 – охлаждение А;

1–2 – А→ ЦII (концентрация углерода в аустените падает в отличие от 2-х предыдущих сталей, так как выделяется богатая углеродом

фаза ЦII);

2–2' – А→ П;

2'–3 – Ф→ ЦIII (перлитно-цементитная структура).

Количество углерода в железоуглеродистых сплавах определяет их структуру и свойства, поведение при производстве, обработке и эксплуатации.

Чем больше углерода в стали, тем выше твердость и прочность, но ниже пластичность. Механические свойства стали зависят также от формы и размеров ферритно-цементитной смеси.

Чем дисперсней (меньше) частички ферритно-цементитной смеси, тем выше твердость ипрочность стали.

Зернистая форма цементита по сравнению с пластинчатой при одинаковой твердости обладает более высокой пластичностью и ударной вязкостью.

Сповышением содержания углерода в стали:

–снижается свариваемость, углерод также способствует образованию при сварке трещин и пор в сварном шве;

–до некоторого содержания углерода (0,3–0,5%) улучшается обрабатываемость резанием;

–усиливается чувствительность стали к дисперсному старению и

кстарению после холодной пластической деформации;

–понижается устойчивость стали к коррозии в атмосферных условиях, в речной и морской воде, в кислых средах.

Сдальнейшим повышением содержания углерода:

–ввиду высокой твердости стали, обрабатываемость резанием ухудшается;

–повышается порог хладноломкости стали.

Рассмотрим чугунный участок диаграммы (рис. 34).

38

ECF – эвтектическая реакция: LC ↔ AЕ + ЦF

Л

PSK (727°С) – эвтектоидная реакция: АS ↔ ФР+ ЦK

П

НижеPSK ледебуритявляетсясмесьюперлитаицементитаЛ= П+ Ц.

Построим кривые охлаждения чугунов различного состава (рис. 34) – сплава I (доэвтектического чугуна), сплава II (эвтектического чугуна), сплава III (заэвтектического чугуна).

Кристаллизация сплава I (доэвтектического чугуна):

0–1 – охлаждение L; 1–2 – L → А;

2–2' – L → A + Ц – кристаллизация эвтектики;

Л

2'–3 – А→ ЦII (структурно обнаруживается, не перемешивается с цементитом ледебурита);

3–3' – А→ Ф + Ц – эвтектоидная кристаллизация;

П

3'–4 – Ф→ ЦIII, структурасплавасостоитизП, ЛиЦII; Л= П+ Ц.

Кристаллизация сплава II (эвтектического чугуна):

0–2 – охлаждение L;

2–2' – L → A + Ц – кристаллизация эвтектики;

Л

2'–3 – из А, входящего в состав Л, выпадает ЦII. ЦII структурно не обнаруживается, так как он перемешивается с цементитом ледебурита;

3–3' – А→ Ф + Ц – эвтектоидная кристаллизация;

П

3'–4 – охлаждение смеси П + Ц (из Ф→ ЦIII).

Кристаллизация сплава III (заэвтектического чугуна):

0–1 – охлаждение L;

1–2 – L → ЦI;

2–2' – L → Л;

2'–3 – А→ ЦII (структурно не обнаруживается); 3–3' – А→ П;

3'–4 – охлаждение смеси Л + ЦI (из Ф→ ЦIII), структура из Л + ЦI.

40