§ 2. Железо и его сплавы.

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом. Сплавы железа с углеродом подразделяются на стали, содержащие до 2,14% углерода, и чугуны, содержащие от 2,14 до 6,67% углерода. Стали и чугуны являются основными конструкционными материалами, применяемыми в различных отраслях промышленности.

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом дает возможность определить строение углеродистых сталей и чугунов в зависимости от содержания углерода и температуры, выбрать режимы термической и других видов обработки.

При взаимодействии железа с углеродом образуется цементит - устойчивое химическое соединение Fe₃C содержащее 6,67% углерода. Если цементит является самостоятельным компонентом, то диаграмму состояния сплавов железа с углеродом обычно рассматривают при содержании углерода до 6,67%. При большем содержании углерода сплавы становятся очень хрупкими и не пригодными для использования. Поэтому эту часть диаграммы называют диаграммой состояния «железо-цементит», на ней приведены две оси концентраций компонентов: одна показывает содержание углерода до 6,67%, а вторая – количество цементита до 100%.

Верхняя часть диаграммы «железо-цементит» представляет собой диаграмму состояния III рода (без верхнего правого угла) с ограниченной растворимостью в твердом состоянии на стороне железа и отсутствием растворимости со стороны цементита. Линия диаграммы ABCD – ликвидус, а линия AHJECF – солидус.

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод.

Железо имеет плотность 7,68 г/см³, температуру плавления 1536⁰C. В зависимости от температуры железо может существовать в двух аллотропических формах. При температуре от 1392 до 1539⁰C

Рис.7. Диаграмма состояний соединения «железо-цементит»

и ниже 911⁰C существует -железо с решеткой ОЦК, а в интервале температур 911-1392⁰C существует -железо с решеткой ГЦК. До температуры 768⁰C железо обладает магнитными (ферромагнитными) свойствами, а при более высокой температуре оно теряет эти свойства. Железо обладает невысокими твердостью (НВ 80), прочностью (_в=250 Н/мм²)и достаточно высокой пластичностью (₅=50%, 80%).

Углерод является неметаллическим элементом, его плотность составляет 2,25 г/см³. Углерод, как и железо, полиморфен и может существовать в виде двух основных модификаций: графита и алмаза. При нормальных условиях он существует в виде графита, имеющего простую гексагональную решетку, а при высоких давлениях и температурах – в виде алмаза, имеющего сложную кубическую решетку.

В сплавах системы «железо-цементит» основными фазами являются: жидкий раствор, феррит, аустенит и цементит.

Жидкий раствор (Ж) существует выше линии ликвидус, где при растворении углерода в железе образуется жидкая фаза.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеет низкую твердость и прочность, но хорошую пластичность. При температуре 1499⁰С достигается максимальная растворимость в -железе (0,1%). При снижении температуры растворимость углерода в -железе уменьшается: от 0,02% при температуре 727⁰С до 0,01% при температуре 600⁰С.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеет большие твердость и прочность, чем феррит при достаточно хорошей пластичности. Максимальная растворимость углерода в -железе достигает 2,14% при температуре 1147⁰С. При снижении температуры растворимость углерода в -железе уменьшается и при 727⁰С составляет 0,8%.

Цементит (Ц) – карбид железа Fe₃C образуется при содержании углерода 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую решетку. Он обладает высокими твердостью и хрупкостью. На диаграмме состояния «железо-цементит» цементит обозначен с цифровыми индексами: Ц_I – цементит первичный, кристаллизующийся из расплава (по линии DC); Ц_II – цементит вторичный, выделяющийся из аустенита (по линии ES); Ц_III – цементит третичный, выделяющийся из феррита (по линии PQ).

В сплавах железа с углеродом образуется два типа механических смесей – перлит и ледебурит.

Перлит (П) – механическая смесь (эвтектоид) тонких пластинок цементита с более толстыми пластинками феррита. Он образуется при распаде аустенита с содержанием углерода 0,8% при температуре 727⁰С.

Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, кристаллизующаяся из жидкой фазы с содержанием углерода 4,3% при температуре 1147⁰С. Этот ледебурит называют высокотемпературным или аустенитным (Л_А); температурная область его существования от 1147 до 727⁰С. При температуре 727⁰С аустенит превращается в перлит, а ледебурит ниже этой температуры представляет собой механическую смесь перлита и цементита. Поэтому этот ледебурит называют низкотемпературным или перлитным (Л_П). Ледебурит любой модификации (Л_А и Л_П) содержится только в чугунах и отсутствует в сталях.

На «стальном» участке диаграммы «железо-цементит» точка S (углерода 0,8%) называется эвтектоидной точкой, а линия PSK – эвтектоидной линией. В связи с этим углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразделяются относительно эвтектоидной точки S на эвтектоидные (углерода 0,8%), доэвтектоидные (углерода менее 0,8%) и заэвтектоидные (углерода менее 0,8%). При температуре ниже 727⁰С микроструктура эвтектоидных сталей состоит только из перлита, доэвтектоидных – из феррита и перлита, заэвтектоидных – из перлита и цементита вторичного.

На чугунном участке диаграммы точка С (углерода 4,3%) называется эвтектической точкой, а линия ЕС – эвтектической линией. Чугуны по аналогии с углеродистыми сталями в зависимости от содержания углерода, но уже относительно эвтектической точки С, подразделяются на эвтектические (углерода 4,3%), доэвтектические (углерода менее 4,3%) и заэвтектические (углерода более 4,3%). При температуре ниже 727⁰С структура эвтектических чугунов состоит из эвтектики ледебурита низкотемпературного (Л_П), доэвтектических чугунов – из перлита и ледебурита (Л_П) и заэвтектических чугунов – из ледебурита (Л_П) и цементита первичного (Ц_I).