5.7 Структурные составляющие сплавов железа с углеродом.
В сплавах железа с углеродом могут образовываться следующие фазы: феррит, аустенит, цементит и графит.
Феррит - является твёрдым раствором внедрения углерода в альфа-железе. (Обозначается Fe(C) или Ф). -железо устойчиво при температурах ниже 911 С. Оно отличается объёмоцентрированной кубической решёткой (ОЦК – решёткой), в междоузлиях (порах) которой размещаются атомы растворяющегося углерода. Растворимость углерода в -железе крайне низкая, максимум 0,02 % по массе при температуре 727 С. С понижением температуры она снижается и достигает 0,006 % при комнатной температуре. По этой причине феррит можно считать практически чистым железом. Феррит, так же как и чистое железо, является мягкой, пластичной фазой с твёрдостью от 80 до100 НВ, в зависимости от содержания углерода.
Необходимо отметить, что ОЦК – решётку железо имеет в двух температурных интервалах: при температурах ниже 911 С (-железо) и в диапазоне температур от 1392 С до температуры плавления, равной 1539 С (это так называемое -железо). Твёрдый раствор внедрения углерода в -железе называют высокотемпературным ферритом.
В интервале температур от 911 до 1392 С железо имеет гранецентрированную кубическую решётку (ГЦК-решётку). Это так называемое -железо. В -железе углерод растворяется значительно лучше, чем в железе с ОЦК-решёткой. Твёрдый раствор внедрения углерода в - железе называют аустенитом (обозначают Fe( C ) или А). Максимальная растворимость углерода в аустените наблюдается при 1147 С и составляет 2,14 %, что в 100 раз выше, чем у феррита. С понижением температуры эта растворимость падает, достигая 0,8 % при температуре 727 С. Аустенит пластичная фаза, но примерно в 2 раза твёрже феррита (160 – 200 НВ).
Цементит (Ц)- это химическое соединение железа с углеродом - карбид железа с химической формулой Fe3C. Содержание углерода в цементите постоянное - 6,67 % по массе. Цементит отличается высокой твёрдостью и хрупкостью. Твёрдость этой фазы в 10 раз выше твёрдости феррита и составляет 800 НВ. Различают цементит первичный, вторичный и третичный. (Ц, Ц и Ц). Первичный цементит образуется из жидкого расплава при кристаллизации. Вторичный цементит выпадает из аустенита при его остывании, что обусловлено снижением предельной растворимости углерода в аустените с уменьшением температуры. Третичный цементит выпадает из феррита в процессе его остывания, что обусловлено снижением растворимости углерода в феррите. Цементит является метастабильной (неустойчивой) фазой. При нагреве и длительной выдержке он распадается на железо и углерод, а точнее на феррит и графит, который является более стабильной чем цементит фазой.
Графит это углерод с гексагональной, слоистой структурой. Он отличается мягкостью и малой пластичностью, имеет температуру плавления 3500 С. Графит наблюдается в высокоуглеродистых сплавах (чугунах) при их равновесном (медленном) затвердевании. В этом случае создаются благоприятные условия для диффузии атомов углерода и формирования в структуре сплава графитных включений.
П
омимо
вышеназванных четырёх фаз, в сплавах
железа с углеродом различают ещё две
самостоятельные структурные составляющие
- перлит и ледебурит, которые по сути
являются двухфазными смесями.
Перлит (П) – является механической смесью феррита и цементита. Это эвтектоид системы Fe–C, который образуется из аустенита посредством эвтектоидной реакции, протекающей при температуре 727 С. Перлит содержит 0,8 % С и может иметь пластинчатую или зернистую структуру.
Ледебурит (Л) – представляет собой механическую смесь аустенита и цементита. Ледебурит является эвтектикой системы Fe–C и образуется из жидкой фазы при температуре 1147 С в результате эвтектической реакции. Содержание углерода в ледебурите – 4,3 %. При температуре 727 С аустенит ледебурита претерпевает эвтектоидное превращение (превращается в перлит), поэтому при температурах ниже 727 С ледебурит является механической смесью перлита и цементита.