5. Железо-углеродистые сплавы

5.1. Компоненты и фазы в системе железо-углерод

Сплавы железа широко распространены в промышленности. Основными из них являются стали и чугуны. Это сплавы железа с углеродом.

Строение любых сплавов отражается диаграммой состояния. Чтобы экспериментально построить диаграммы состояния сплавов, образованных двумя компонентами А и В, нужно подготовить несколько сплавов с разным содержанием этих компонентов. Для каждого сплава экспериментально определяют критические точки, то есть температуры фазовых превращений. Полученные значения температур откладывают на вертикальных линиях в соответствии химическим составом сплавов [3]. Соединяя критические точки, получают линии диаграммы состояния. Диаграмма состояния показывает изменение равновесного состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Диаграмма состояния

Железо

Железо – металл сероватого цвета. Атомный номер 26. Чистое железо содержит 99,999 % Fe, технические сорта 99,8…99,9 %. Температура плавления железа 1539 С. Железо является полиморфным металлом.

До 911 С – кристаллическая решётка ОЦК (Fe_α),

911…1392 С – кристаллическая решётка ГЦК (Fe_γ),

1392…1539 – кристаллическая решётка ОЦК (Fe_α ,Fe_δ).

До температуры 768 С α-железо ферромагнитно, выше парамагнитно. Температуру 768 С, при которой происходит переход от ферромагнитного состояния к парамагнитному, называют точкой Кюри и обозначают А₂ . Плотность α-железа – 7,68 г/см³ .

Критическую точку перехода α γ при температуре 911 С обозначают при нагреве Ас₃, а при охлаждении Аr₃ . Критическую точку перехода γ α при температуре 1392 С обозначают при нагреве Ас₄, а при охлаждении Аr₄.

Железо, как и другие чистые металлы, обладает низкой твёрдостью и прочностью, но высокой пластичностью и вязкостью. Железо со многими элементами образует твёрдые растворы, причём с металлами – твёрдые растворы замещения, с неметаллами, в том числе с углеродом, – твёрдые растворы внедрения.

Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе называют ферритом. Он имеет ОЦК решётку.

Твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе называют аустенитом. Он имеет ГЦК решётку.

Растворимость углерода в γ-железе больше, чем в α-железе.

Углерод

Углерод – неметаллический элемент с атомным номером 6. Плотность углерода 2,5 г/см³. Температура плавления 3500 С. Углерод имеет две модификации: графит и алмаз. Графит имеет слоистую гексагональную решётку. Он очень мягок, имеет металлический блеск и низкое электросопротивление.

Железо с углеродом образует три химических соединения: 1) Fe₃С (6,67 % С, остальное Fe). Это химическое соединение – карбид железа называется цементит; 2) Fe₂С (9,68 % С, остальное Fe); 3) FeС (21, 5% С, остальное Fe) (рис. 5.2.).

Рис. 5.2. Диаграмма состояния Fe–С

Диаграммы состояний, в которых имеются химические соединения, можно разбить на несколько самостоятельных диаграмм, считая эти соединения компонентами этих диаграмм.

Следовательно, диаграмму Fe–C можно разбить на четыре части: 1) Fe–Fe₃C; 2) Fe₃C–Fe₂C; 3) Fe₂C–FeC; 4) FeC–С.

Так как в промышленности в основном применяют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 5 %, то наибольший интерес представляет первая диаграмма Fe–Fe₃C (железо–цементит).

Цементит

Цементит – химическое соединение железа с углеродом. Содержит 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решётку. Температура плавления цементита точно не определена из-за его распада при нагреве (t_пл1252 С). Цементит слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210 С. Он имеет высокую твёрдость и хрупкость. В цементите могут растворяться другие элементы. Такой цементит называют легированным. Цементит является неустойчивым химическим соединением и может разлагаться на железо и углерод. Это процесс называется графитизацией.