Лекция 8. Сплавы железа с углеродом

1. Диаграмма состояния системы железо-углерод

2. Области существования различных фаз и их особенности

3. Области концентраций углерода для сталей и чугунов, их классификация

1. Диаграмма состояния системы Fe-c

• Общая характеристика железа

 VIII группа таблицы Менделеева (переходный металл), электронная структура 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s², Z = 26

 Изотопы в природе - ⁵⁴Fe – 5,84 %, ⁵⁶Fe – 91,68 %, ⁵⁷Fe – 2,17 %, ⁵⁸Fe – 0,31 %; в земной коре – 5,1 % Fe

Т_m = 1811 К (1538 ^оС)

 Аллотропические формы:

 - железо – решётка ОЦК - Т до 910 ^оС

 - железо – решётка ГЦК - Т = 910 – 1392 ^оС

 - железо – решётка ОЦК - Т = 1392 – 1539 ^оС

жидкая фаза – свыше 1539 ^оС

Атомный радиус в ОЦК – 0,127 нм

 сечение поглощения тепловых нейтронов _тн = 2,4310^-24 см²

• Общая характеристика углерода

IVВ группа таблицы Менделеева, электронная структура 1s²2s²2p², Z = 6

 Изотопы в природе - ¹²С – 98,89 %, ¹³С – 1,11 %

 Кристаллические модификации – графит, алмаз, аморфные модификации – каменный уголь

Атомный радиус– 0,077 нм

• Особые линии

 линия эвтктического (ECF) превращения

линия эвтектоидного (PSK) превращения

2.Области существования различных фаз и их особенности

• феррит

ограниченный твёрдый раствор С в - или -Fe (до 0,02 и 0,10 % соответственно)

С в октаэндрических пустотах с радиусом 0,020 нм

• аустенит

ограниченный твёрдый раствор С в -Fe (до 2,14 %)

С в пустотах большего размера (радиус 0,028-0,52 нм)

- цементит

химическое соединение Fe₃C – карбид железа (до 6,67 % С)

сложная орторомбическая плотноупакованная решётка

высокая твёрдость (HV = 1000 МПа) и малая пластичность

- перлит (а также сорбит и тростит)

эвтектоидная смесь феррита и цементита

 распад аустенита

при Т = 727 – 680 ^оС создаёт чередующуюся структуру перлита с расстоянием между пластинками цементита  = 0,5-1 мкм

при Т = 680 – 600 ^оС –смесь с  = 0,2-0,4 мкм (сорбит)

при Т = 600– 500 ^оС – очень тонкую смесь с   0,1 мкм (тростит)

• бейнит

 при Т = 500– 250 ^оС – промежуточное превращение между перлитным и мартенситным

не пластинчатая, а перистая или игольчатая из феррита и цементита

- мартенсит

 пересыщенный твёрдый раствор С в -Fe c предельным содержанием углерода 2,14 % (^/-Fe)

 образуется бездиффузионно при быстром охлаждении в интервале 230 – - 80 ^оС (при 0,8 % С)

 интервал Т сдвигается к низким температурам легированием (кроме Co, Al) и этим пользуются для сохранения аустенитной структуры закалкой (принцип получения аустенитных сталей)

 зачастую (особенно при больших содержаниях С) имеется остаточный аустенит - 50 % при С_с =1,5 %, а при наличии легирующих элементов аустенит достигает 80-100 % (10Х18Н8)

 решётка мартенсита – ОЦ тетраэдр (c/a = 1+0,046 C)

 форма вытянутых линз

 низкая плотность, большие внутренние напряжения

твёрдость HV до 980 МПа, что в шесть раз больше, чем у феррита, _в до 2800 МПа (у феррита на порядок меньше), но мала пластичность (хрупкое разрушение)

при нагреве мартенсит обедняется углеродом с выпадением карбида и постепенно (свыше 300^оС) превращается в феррит+цементит

• ледебурит

эвтектика цементита и аустенита (С_с =4,3 %) при температуре 1147 – 727 ^оС

 эвтектика цементита и перлита при температуре ниже 727 ^оС