10. Диаграмма состояния железо-углерод. Область эвтектоидной точки.

Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) железо-углерод (иногда говорят железо-цементит) — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до цементита. Поскольку цементит - фаза метастабильная, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке).Для серых чугунов и графитизированных сталей необходимо рассматривать стабильную диаграмму железо-графит (Fe-Гр), поскольку именно графит является стабильной фазой. Цементит образуется намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго. В серых чугунах графит существует обязательно.

Фазы:

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с ОЦК (объёмно-центрированной кубической) решёткой.Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 727 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки.

3. Аустенит (γ) — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решёткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е).Аустенит имеет твёрдость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен.

При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.

4. Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.

5. Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Плотность графита (2,3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5 — 7,8) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.

Эвтектоидная точка.

Соответствует составу твердого раствора, который при охлаждении инвариантно преобразуется в смесь двух или более твердых фаз.

11. Примеси в сталях и их влияние на свойства

В сталях промышленного производства, кроме основных элементов (железо, углерод и легирующие элементы в легированных сталях), содержатся различные примеси — постоянные и случайные, они попадают в сталь из вторичного сырья или руд.

Постоянные примеси подразделяются:

• на вредные — сера, фосфор и газы (кислород, азот и водород);

• полезные — марганец и кремний;

• случайные — хром, никель, медь, олово, мышьяк и др., количество которых невелико; они мало влияют на свойства и в дальнейшем не рассматриваются.

Сера образует с железом химическое соединение сульфид железа FeS. Сульфиды значительно снижают ударную вязкость и пластичность. Кроме того, наличие серы в стали может привести к разрушению слитка при пластической деформации (ковка, прокат). Это явление получило название красноломкость. В системе Fe — FeS образуется эвтектика, имеющая низкую температуру плавления. При нагреве слитка до температур горячей деформации — 900… 1150 °С (температуры красного каления) в участках, граничащих с сульфидами, сталь плавится, образуется жидкость. Из-за этого при деформировании слиток разрушается ( «ломается») или в нем возникают надрывы и трещины. Красноломкость отсутствует при содержании серы в стали 0,025 % и менее, так как в этих количествах она растворяется в железе, не образуя сульфидов. Красноломкость устраняют введением в сталь марганца.Марганец восстанавливает железо из его сульфида, образуя собственный тугоплавкий сульфид (температура плавления 1620 °С) в соответствии со следующей реакцией: FeS + Mn ->Fe + MnS.

Фосфор существенно снижает пластичность и ударную вязкость стали, особенно при низких температурах. Фосфор повышает порог хладноломкости, это плохо, потому что сталь хрупко разрушается при более высоких температурах. Так, если порог хладноломкости повысился до 20 °С и выше, сталь становится хрупкой уже при комнатной температуре. Газы даже в незначительных количествах заметно ухудшают свойства стали. Кислород, азот образуют хрупкие соединения (оксиды и нитриды), что приводит к повышению порога хладноломкости и снижению ударной вязкости. Присутствие водорода вызывает образование флокенов(тонкие трещины овальной или округлой формы) в катаных заготовках и крупных поковках, это сильно охрупчивает сталь.

Марганец и кремний являются полезными примесями — раскислителями. Раскисление — это процесс восстановления железа из его оксидов: FeO + Mn ->Fe + МпО, а также 2FeO + Si -> 2Fe + Si02. Образующиеся оксиды марганца и кремния всплывают в шлаке, их удаляют вместе с ним перед разливкой металла. Кроме того, марганец устраняет вредное влияние серы, предупреждая появление красноломкости, как это рассмотрено выше; кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка.