6 Железо и его сплавы

Основные сплавы железа – сталь и чугун, самые распространенные материалы в промышленности. Это сплавы железа с углеродом, иногда для придания этим сплавам специальных свойств при выплавке добавляют элементы, которые называются легирующими, а сплавы тогда называются легированными. Основу понимания этих сплавов составляет железоуглеродистая система.

6.1 Свойства железа и углерода как компонентов железоуглеродистых сплавов

Железо занимает 26 место в периодической таблице элементов, это серебристо-белый металл. Температура плавления 1539⁰С, плотность 7,68г/см³. Железо – полиморфный металл, существует в разных кристаллических формах. При температурах ниже 911⁰С железо имеет кристаллическую решетку ОЦК. Эту форму обозначают . В диапазоне температур 911...1401 ⁰С железо имеет кристаллическую решетку ГЦК. Эту кристаллическую форму обозначают γ, и в диапазоне от 1401 ⁰С и до плавления железо снова имеет решетку ОЦК. Эту форму называют высокотемпературной модификацией и обозначают δ.

С углеродом железо взаимодействует, образуя твердые растворы внедрения, при этом -Fe растворяет углерода очень мало, а именно – при комнатной температуре растворимость углерода в -Fe составляет до 0,0025%, а при 727⁰С – 0,025%. Твердый раствор углерода в -Fe называется ферритом. По своим свойствам феррит напоминает чистое железо – это мягкая и пластичная фаза. Феррит имеет следующие механические свойства: _в=250 МПа, _т =120 МПа, =50%, =80%, НВ 90.

В γ-Fе растворяется значительно больше углерода: максимальная раствори­мость наблюдается при 1147 ⁰С и составляет 2,14% С. Твердый раствор внедрения углерода в -Fe называется аустенитом. Аустенит – мягкая и пластичная фаза.

В  -Fe растворяется до 0,1 % С при температуре 1499 ⁰С. Эта фаза напоминает феррит и называется -твердым раствором.

В железоуглеродистых сплавах углерод может находиться в двух формах – в форме графита, т.е. в свободном состоянии, и в виде химического соединения с железом – карбиде.

Графит имеет гексагональную кристаллическую решетку с относительно большим расстоянием между плоскостями, поэтому чешуйки графита легко скалываются, твердость графита около 3 НВ, он обладает практически нулевой прочностью.

Карбид железа – Fe₃C называется цементитом. В цементите содержится 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку и температуру плавления около 1600⁰С. До 210⁰С цементит ферромагнитен, обладает высокой твердостью (HV 1000), но малой пластичностью, разрушается хрупко. Цементит – фаза метастабильная и при высоких температурах может разлагаться с образованием графита – стабильной фазы.

6.2 Диаграмма состояния «железо – цементит»

Эта диаграмма (рис.27) описывает метастабильное равновесие.

Координаты точек приведены в табл. 4.

Рисунок 27 – Диаграмма состояния «железо – цементит»

Таблица 4 – Координаты точек

Обозначе-ние точек	А	В	С	Д	N	J	Н	E	F	G1	Р	S	К	Q
t°C	1539	1499	1147	1500	1401	1499	1499	1147	1147	911	7Z7	727	727	600
%С	0	0,5	4,3	6,67	-	0,16	0,1	2,14	6,67	-	0,025	0,8	6,07	0,0025

Пояснения к диаграмме состояния «железо-цементит»

Фазы системы:

Ж – жидкость, расплав железа с углеродом;

А – аустенит – твердый раствор углерода в γ-Fe;

Ф – феррит – твердый раствор углерода в а-Fe;

Ц – цементит – химическое соединение Fе₃С;

Фδ – твердый раствор углерода в δ-Fe;

П – перлит-эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита;

Л – ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита (выше линии PSK) и перлита с цементитом (ниже линии PSK).

Превращения, совершающиеся в сплавах при постоянных температурах:

1 На линии НIB при температуре 1499⁰С.

Это превращение испытывают сплавы, содержащие от 0,1 до 0,5% С.

Сплав, содержащий 0,16% С (I), начинает кристаллизоваться с образованием кристаллов δ-твердого раствора, и при температуре 1499°С будет иметь место превращение

δ_н + ж_в → А_I

0,1%С 0,5%С 0,16%С

Число степеней свободы С=К–Ф+1=2–3+1=0. Температура постоянная. Такое превращение называется перитектическим – когда из двух фаз при постоянной температуре образуется одна новая фаза, в данном случае – аустенит.

2 На линии ECF, температура 1147 ⁰С.

Это превращение испытывают все сплавы, содержащие от 2,14 % С (точка Е) до 6,67 % С (точка F).

Рассмотрим сплав, содержащий 4,3 % С (точка С). Выше 1147⁰С сплав находится в жидком состоянии. При температуре чуть ниже 1147⁰С происходит превращение

Ж_с → А_е + Ц_F

4,3% С 2,14% С 6,67% С

Число степеней свободы С=К–Ф+1=2–3+1=0. Температура постоянная. Такое превращение называется эвтектическим. В данном случае эвтектика представляет собой механическую смесь аустенита и цементита.

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом. Применяя правило отрезков, можно показать, что ледебурит, как структура, наполовину состоит из хрупкого цементита, поэтому ледебурит тверд (до 500 НВ), хрупок, и сплавы с такой структурой невозможно обрабатывать давлением. Такие сплавы называются чугунами. К чугунам относятся все сплавы в диапазоне концентрации углерода от 2,14% (точка Е) до 6,67% (точка F), в структуре содержат эвтектику-ледебурит. По структуре чугуны делят на эвтектические (4,3% С), доэвтектические (2,14...4,3% С) и заэвтектические (4,3...6,67% С). Соответственно, сплавы, содержащие менее 2,14% С (сплавы левее точки Е), закристаллизовываются с образованием аустенита – мягкой пластичной фазы. Такие сплавы хорошо обрабатываются давлением и называются сталями. Следовательно, точка Е (2,14%С), характеризующая предельное содержание углерода в аустените, делит железоуглеродистые сплавы на две группы:

стали – содержат менее 2,14% С

и чугуны – содержат более 2,14% С.

3 На линии PSK, температура 727 ⁰С. Это превращение испытывают и стали и чугуны (от точки Р до точки К, т.е. от 0,025% С до 6,67% С).

Рассмотрим сталь, содержащую 0,8% С. Выше температуры 727⁰С (например, 800⁰С) сталь состоит из аустенита, и при охлаждении аустенит сохранится до 727⁰С. Ниже этой температуры должно пройти превращение

А_s → Ф_p + Ц_к

0,8%C 0,025%C 6,67%C

Число степеней свободы С=К–Ф+1=2–3+1=0, т.е. температура постоянная, из одной фазы образуются две новые. Но т.к. все фазы находятся в твердом состоянии, такое превращение называют эвтектоидным.

Эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита называется перлитом.

Сталь, содержащая 0,8% С, называется эвтектоидной, сталь, содержащая менее 0,8%С – доэвтектоидной, и сталь, содержащая более 0,8%С – заэвтектоидной. Они отличаются по структуре. Структура доэвтектоидной стали состоит из избыточного феррита, который располагается по границам зерен перлита с пластинчатым строением зерен. Структура заэвтектоидных сталей состоит из избыточного цементита, который в виде сетки располагается по границам зерен пластинчатого перлита.