17.3. Строение железоуглеродистых сплавов

В результате совместной кристаллизации несколь­ких элементов могут образоваться сплавы следующих типов: механическая смесь, твердый раствор и химиче­ское соединение. Возможность возникновения того или иного типа сплава определяется характером взаимодей­ствия элементов в процессе кристаллизации.

Температуру, при которой металл переходит из жид­кого состояния в твердое состояние, называют температурой пер­вичной. Геометрическое место точек первичной кристаллизации называется линией ликвидуса. Кроме первичной кристаллиза­ции, возможна и вторичная кристаллизация (перекристаллизация в твердой фазе) − изменение кристалличе­ского строения металлов в твердом состоянии. Геометрическое место точек вторичной кристаллизации называется линией солидуса.

При быстром отводе тепла некоторые металлы способны определенное время находиться в жидком со­стоянии при температуре ниже границы первичной крис­таллизации (рис. 5 – второй график). Это явление объясняют следующим обра­зом. В результате быстрого отвода тепла образуется много центров кристаллизации и происходит их интен­сивный рост, что приводит к выделению значительного количества теплоты, способной некоторое время поддер­живать металл в жидком состоянии и даже повышать его температуру.

Металлы обладают свойствами аллотропии, т. е. спо­собностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровож­даются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: α-Fe; β-Fe; γ-Fe; δ-Fe. Практическое значение имеют только α-Fe и γ-Fe, так как β-Fe и δ-Fe отличаются от α-Fe только величи­ной межатомного расстояния, а для β-Fe характерно от­сутствие магнитных свойств.

Критические температуры аллотропии железа представлены на диа­грамме охлаждения чистого железа (рис. 6) как температуры горизонтальных участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с вы­делением теплоты.

1539⁰С

Температура

δ

1390⁰С

γ

910⁰С

β

768⁰С

α

Время

Рис. 6. Диаграмма охлаждения чистого железа

Механические смеси образуются путем срастания кристаллов между собой при раздельной кристаллиза­ции компонентов. В механической смеси каждый из ком­понентов сохраняет свои специфические свойства. Струк­тура сплава в этом случае будет состоять из кристаллов веществ А и Б, связь между которыми осуществляется по границам зерен. Значения свойств спла­ва будут средними между свойствами элементов, кото­рые его образуют.

Твердые растворы образуются в результате проник­новения в кристаллическую решетку основного металла атомов другого металла или неметалла. В зависимости от характера размещения атомов различают твердые растворы замещения и внедрения. При образовании твердого раствора замещения атомы одного из компо­нентов, например Б, частично замещают атомы компо­нента А в узлах его кристаллической решетки. Твердый раствор внедрения образуется, когда атомы одного из компонентов размещаются в междоузлиях кристалличе­ской решетки другого. Твердые растворы замещения могут образоваться при совместной кристал­лизации металлов, а твердые растворы внедрения – при совместной кристаллизации металла с неметаллом. Твердые растворы принято обозначать буквами гречес­кого алфавита α, β, γ и т. п.

В растворе внедрения атомы растворимого элемента внедряются между атомами металла, искажая его ре­шетку. К таким элементам относятся углерод, водо­род, азот, бор и другие, концентрация которых в твер­дом растворе может составлять 1…2 %. В растворе за­мещения атомы растворимого элемента занимают места атомов растворителя в кристаллической решетке. При этом размеры атомов основного металла и примеси должны отличаться не более чем на 15 %. Хорошо замещаются атомы Fe и Сг, Сu и Ni, Ti и V.

Химические соединения образуются при хи­мическом взаимодействии компонентов, при этом атомы располагаются в строгом порядке и количественном со­отношении. Например, в сплавах железа с углеродом образуется карбид железа, называемый цементитом: 3Fe + C = Fe₃C. В сплавах алюминия с медью образует­ся интерметаллическое соединение СuА1₂. Как Fe₃C, так и СuА1₂ – твердые, прочные, но очень хрупкие вещества. Наличие их в сплаве ведет к его упрочнению с одновре­менным понижением пластичности и ударной вязкости.

Строение сплава определяет его свойства, поэтому важно знать, как это строение будет меняться при из­менении температуры и состава сплава. Зависимость между строением сплава, его составом и температурой описывается при помощи диаграмм состояния.

Диаграммы состояния строятся экспериментально по критическим точкам, полученным на кривых охлаждения сплавов данной системы. Поскольку критические точки стремятся получить при очень медленном нагреве или охлаждении сплава, т. е. для равновесного состояния, то диаграммы состояния также называются еще и диаграм­мами равновесия.

По диаграмме состояния конкретного сплава можно определить температуры кристаллизации и превраще­ний в твердом состоянии и структуру при заданной тем­пературе, что позволяет примерно оценить механические, физические и химические свойства сплава и правильно назначать режимы термической обработки, обработки давлением, сварки и т. п. Диаграммы состояний многих технических сплавов имеют сложный вид, но в боль­шинстве случаев они могут быть сведены к нескольким простейшим диаграммам.

Диаграмма состояния «железо-углерод» (рис. 7) описывает равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и темпе­ратуры. По ней судят о структуре медленно охлажден­ных сплавов, а также о возможности изменения их мик­роструктуры в результате термической обработки, опре­деляющей эксплуатационные свойства сплавов.

Рис. 7. Диаграмма состояния «железо-углерод»: а – диаграмма; I – жидкий сплав; II – жидкий сплав и кристаллы аустенита; III – жидкий сплав и цементит; IV – аустенит; V – цементит и аустенит; VI – аустенит, цементит, ледебурит; VII – цементит и ледебурит; VIII – феррит и аустенит; IX – феррит и перлит; X – цементит и перлит; XI – перлит, цементит, ледебурит; XII – цементит, ледебурит; б –ориентировочные отношения структурных составляющих в различных областях диаграммы

Основные структуры, составляющие диаграмму «железо-углерод» − феррит, цементит, аустенит, перлит, ледебурит, графит.

Феррит − твердый раствор углерода в α-Fe. Предель­ное содержание углерода при 723 °С ≈ 0,02 %, при 20 °С ≈ 0,006 %. Феррит по свойствам близок к чистому железу, он мягок, пластичен, его твердость HВ = 60…80.

Цементит (Fe₃С) – химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Является состав­ной частью эвтектической смеси, а также самостоятель­ной структурной составляющей. Образует твердые растворы путем замещения атомами других ме­таллов, неустойчив, распадается при термической обра­ботке. Цементит очень тверд (НВ = 800) и хрупок.

Аустенит – твердый раствор углерода в γ-Fe. Ато­мы углерода внедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимос­ти от температуры и примесей. Устойчив только при вы­сокой температуре, а с примесями Mn, Cr при обычных и даже низких температурах. Твердость аустенита НВ = 170…200.

Перлит − эвтектоидная смесь феррита и цементита; образуется в процессе распада аустенита при 723 ^оС и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Mn способст­вуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой). Механические свойства пер­лита зависят от формы и дисперсности частичек цемен­тита. Прочность пластинчатого перлита несколько выше, чем зернистого.

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цемен­тита, образующаяся при 1130 °С и содержании углерода 4,3 %. Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вто­ричный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ = 700), хрупок.

Графит – мягкий и хрупкий компонент чугуна, состо­ящий из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.

Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, так как сво­бодного углерода в сплавах не содержится. Но содержание углерода пропорционально содержанию це­ментита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием угле­рода.

Все линии на диаграмме (см. рис. 24) соответствуют критическим точкам, т. е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах. Линия ACD – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), ли­ния AECF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса). Область AESG на диаграмме соответствует аустениту. Линия GS – начало выделения феррита, а линия SE – вторичного цементита. Линия PSK соответ­ствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит. Расположение линий GSK и PSK следует учитывать при термической обработке. Ли­нию GSC называют линией верхних критических точек, линию PSK – нижних критических точек.

В зависимости от содержания углерода, %, железо­углеродистые сплавы получают следующие названия:

− при содержании углерода до 0,83 % – доэвтектоидные стали;

− при содержании углерода, равного 0,83 % – эвтектоидные стали;

− при содержании углерода 0,83…2,14 % – заэвтектоидные стали;

− при содержании углерода 2,14…4,30 % – доэвтектические чугуны;

− при содержании углерода 4,30…6,67 % – заэвтектические чугуны.

С увеличением содержания углерода в железоуглеро­дистых сплавах меняется и структура, увеличивается со­держание цементита и уменьшается количество феррита. Чем больше углерода в сплавах, тем выше их твердость и прочность, но ниже пластические свойства. Механи­ческие свойства сплавов зависят также от формы и раз­мера частиц структурных составляющих. Твердость и прочность стали тем выше, чем тоньше и мельче части­цы феррита и цементита.