Стали и чугуны имеют в своем составе кроме железа и углерода и другие элементы – примеси, которые практически мало влияют на диаграмму состояния, поэтому для понимания процессов происходящих при нагреве и охлаждении сталей и чугунов, используется двойная диаграмма состояния Fe-С (железо – углерод). Полностью (до 100% углерода) диаграмма Fe-С не имеет практического применения, поэтому используется только часть диаграммы – до химического соединения Fe₃C (цементит) (рис. 6.1.)

Рис. 6.1. Диаграмма состояния железо – углерод (Fe-С) или железо – цементит

(Fe-Fe₃C)

Компоненты

Основными компонентами являются железо Fe и углерод С и оба являются полиморфными.

Железо – серебристо-светлый, мягкий металл с плотностью р = 7,86 г/см³. Технически чистое железо (0,1–0,2% примесей) имеет следующие механические свойства:

Предел временного сопротивления
При растяжении	σв, МПа	250–350
Предел текучести	σт, МПа	120–150
Относительное удлинение	δ, %	40–50
Относительное сужение	ψ,%	80–85
Твердость	HB	75–90

Чем чище железо, тем меньше прочностные показатели и выше показатели пластичности.

Железо плавится при температуре 1539 °С и имеет две модификации: Fe_a и Fe_Y. Fe_a существует при температурах до 911 °С и в интервале от 1392 до 1539 °С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм (при температуре 20–25 °С). Важной особенностью Fe_a является его ферромагнетизм ниже температуры 768°С, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe_y существует в интервале температур от 911 до 1392 °С, имеет ГЦК решетку, период которой при 911 °С равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК решетка, и поэтому при переходе Fe_a в Fe_Y объем железа уменьшается приблизительно на 1%. Fe_Y парамагнитно.

Углерод – неметаллический элемент (T_пл = 3500 °С). В свободном состоянии встречается в виде алмаза и графита.

В сплавах с железом встречается либо в виде графита (серый, ковкий и высокопрочный чугуны), либо в виде химического соединения с железом Fe₃C – цементита (стали и белые чугуны).

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Структуры могут быть однофазные, двухфазные и многофазные. К однофазным структурам относят феррит, аустенит, цементит.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Fe_a. В низкотемпе-ратурной модификации Fe_a максимальная растворимость углерода равна 0,02% при температуре 727 °С (т. Р), в высокотемпературной модификации Fe_a – 0,1% при температуре 1499 °С (т. Н). При комнатной температуре в феррите содержится 0,01% С. Характеризуется низкой прочностью (σ_в= 250 МПа) и твердостью 63-130 НВ, высокой пластичностью (относительное удлинение δ = 40%). На диаграмме состояния феррит занимает область GPQ. Образуется из аустенита (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Феррит

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в F_Y с ГЦК решеткой. Максимальная растворимость равна 2,14% при температуре 1147 °С (т. Е), что практически на два порядка выше, чем в феррите. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ 160–200). Аустенит парамагнитен (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Аустенит

Рис. 6.4. Феррит и аустенит

Цементит – химическое соединение железа с углеродом. Стехиометрическая формула цементита – Fe₃C (карбид железа), содержит 6,67% С. Цементит имеет сложную орторомбическую кристаллическую решётку (рис. 6.5), обладает высокой твердостью (НВ 800) и большой хрупкостью. Чем больше цементита в сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. По условиям образования различают: первичный цементит Ц_I (образуется при кристаллизации из жидкости в виде больших светлых кристаллов), вторичный цементит Ц_п (выделяется из аустенита в виде сетки по границам зерен), третичный цементит Ц_ш (выделяется из графита в виде мелких зерен).

В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму – равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру.

Цементит в разных количествах, в зависимости от концентрации, присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Формируется в процессе кристаллизации из расплава чугуна. Выделается в сталях при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Цементит является фазовой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, составной частью ледебурита, перлита, сорбита и троостита. Цементит – представитель так называемых фаз внедрения, соединений переходных металлов с легкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи. Прочность 8500 МПа.

Рис. 6.5. Кристаллическое строение цементита

К двухфазным составляющим относят перлит и ледебурит.

Перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита (Ф+Ц). Существует ниже 727 °С и содержит 0,8% С. Образуется в результате распада аустенита в процессе его охлаждения при температурах ниже 727 °C. Перлит в зависимости от формы частичек цементита бывает пластинчатым или зернистым, что определяет его механические свойства. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей (σ_в = 800-900 МПа, δ ≤ 16%, 180-220 HB).

Ледебурит – механическая смесь (эвтектика) в области температур от 1147 до 727 °С состоит из аустенита и цементита (А+Ц), а ниже 727 °С состоит из перлита и цементита (П+Ц). Содержит 4,3% С.