2. ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ

Сплавы железа распространены наиболее широко. Главные из них – сталь и чугун – представляют собой сплавы железа и углерода. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие добавки. Рассмотрим строение и фазовые превращения в бинарной системе Fe + C.

2.1. Железо и его соединения с углеродом

Железо (Fe) – металл серебристо-белого цвета. Наиболее чистое железо – 99,99 % Fe. Техническое железо – 99,8 % Fe. Его температура плавления

(Тпл) – 1539 °С.

Железо известно в α- и γ-аллотропических модификациях (рис. 2.1) (ранее считали, что железо существует в четырех модификациях: α, β, γ, δ). В настоящее время принято, что α, β и δ, имеющие кубическую объемноцентрированную (ОЦК) решетку, являются одной и той же модификацией.

Железо α существует при температурах ниже 910 и выше 1401 °С. В интервале от 910 до 1401 °С – форма γ.

Рис. 2.1. Железо и его соединения с углеродом

Чтобы пояснить наличие β- и δ-модификаций, рассмотрим кривую нагрева (рис. 2.2) (или охлаждения), где E – свободная энергия; α-железо с ОЦК и периодом решетки 2,86α существует до 910 °С (при нагреве). До 768 °С железо магнитно. Точку 768 °С называют точкой Кюри и обозначают

23

АС2 (при нагреве) или Аr2 (при охлаждении). Железо выше точки Кюри, т. е.

немагнитное железо с ОЦК назвали β. Характерной особенностью α-железа, кроме его магнитных свойств, является полная нерастворимость в нем углерода (0,025 % при 727 °С и 10…5 % при 20 °С). Магнитные превращения, в отличие от аллотропических, обладают следующими особенностями.

1.Не сопровождаются перекристаллизацией и образованием новых зерен.

2.Механические и ряд других свойств при этомне изменяются.

3.Не имеют температурного гистерезиса.

4.Магнитные свойства изменяются не скачком, а постепенно при приближении к точке Кюри.

Твердый раствор углерода в α-железе называется ферритом. Его меха-

нические свойства: предел прочности σв = 25,0 кг/мм2; предел текучести σт =

=12 кг/мм2; относительное удлинение δ = 50 %; относительное сужение ψ =

=80%. Плотность – 7,87...7,88 г/см3. Твердость (по Рокверу) – 10 HRC. Предельная растворимость углерода в δ-железе составляет 0,1 % при 1499 °С.

Рис. 2.2. К пояснению существования двух аллотропических модификаций железа

При 910 °С (при нагреве) α-железо превращается в γ-железо. Эту точку обозначают АС3 при нагреве и Аr3 при охлаждении (она ниже 898 °С). Кри-

тическую точку α ↔ γ при 1401 °С обозначают АС4 или Аr4 [3].

Кристаллическая решетка γ-железа ГЦК с периодом 3,59α при 910 °С несколько увеличивается с температурой. γ-железо парамагнитно! Плотность γ-модификации, полученной экстраполяцией до 20°C, составляет 8,0...8,1г/см3. Растворимость углерода вγ-железе велика и достигаетmax =2,14% при 1145°С. Твердый раствор С в γ-железе называется аустенитом – по имени исследова-

24

теля диаграммы Роберта Аустена, описавшего диаграмму в 1898 г. Аустенит обладает высокой пластичностью, низким пределом текучести (σт) и прочностью

(σв). Структура аустенитахарактеризуется наличием двойников в зернах. Железо с углеродом образует химическое соединение – карбид железа

Fe3C – цементит. Содержание углерода – 6,67 %. Решетка ромбическая. tпл не определена и принимается равной 1250 °С. Точка Кюри для цементита – 217 °С. Его характерной особенностью является высокая твердость (1000 HB) и хрупкость. Цементит – метастабильная фаза и в условиях равновесия распадается на углерод и феррит.

2.2. Диаграмма состояния Fe–Fe3C. Стабильное равновесие

Сплавы железа с углеродом после окончания кристаллизации имеют различную структуру, но одинаковый фазовый состав: феррит + цементит

(рис. 2.3). Точка А 1539 °С – Тпл Fe; точка D 1250 °С – Тпл Fe3C. Точки N и G

(1401 и 910 °С) – аллотропические превращения α ↔ γ. Точка Е – предельное растворение углерода в γ-железе (1145 °С / 2,0 % С).

Первичная кристаллизация сплавов в системе начинается по достижении температур линии ликвидус ABCD. Конец затвердевания соответствует температурам линии солидус AHJECF. [3]

Верхний левый угол диаграммы характеризует превращения, связанные с переходом γ ↔ α(δ) при высоких температурах.

По линии AB из жидкости выделяются кристаллы δ-твердого раствора (углерод в α-твердом растворе Fe). В сплавах с содержанием до 0,1 % С кристаллизация заканчивается на линии AH. При большей концентрации углерода (в пределах линии HJB) в сплаве протекают перитектические превращения с образованием аустенита по схеме:

( ) L( ) 1490 °C ( )

α H + B → γ J .

Однако эта схема справедлива для сплавов с 0,15 % С, т. е. соответствующих точке J. Если концентрация С от 0,1 до 0,15 %, то будет избыток α (H). Если концентрация углерода от 0,15 до 0,5 % точки B, то после перитектических превращений в избытке будет жидкость состава точки В. Кристаллизация закончится при температурах, соответствующих линии JE, с образованием однофазной структуры – аустенита.

При концентрациях и температурах, соответствующих линии BC, из жидкости кристаллизуется аустенит – γ-твердый раствор.

25

26

При концентрациях и температурах, соответствующих линии CD, из жидкости кристаллизуется цементит Fe3С. Сплав, соответствующий точке С, 4,3 % углерода из жидкости одновременно кристаллизуется аустенит и цементит, образуя эвтектику, которая называется ледебуритом.

Сплавы с концентрацией углерода в интервале от 0,15 до 2,0 % кристаллизуются в интервале температур между линиями BC и JE с образованием однофазного твердого раствора – аустенита.

Доэвтектические сплавы (2,0...4,3 % С) кристаллизуются в двухфазную систему: аустенит + ледебурит.

Заэвтектические сплавы (4,3...6,67 % С) дают двухфазную структуру из первичных кристаллов цементита + ледебурита. Цементит, образующийся из жидкой фазы, называется первичным.

Сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,0 % С, называются сталью, более 2,14 % С – чугуном.

Принятое разграничение совпадает с предельным растворением углерода в аустените. Стали после затвердевания не содержат малопластичной структурной составляющей – ледебурита, а при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, которая обладает высокой пластичностью. Поэтому в отличии от чугуна стали легко деформируются (ковка и прокатка).

По сравнению со сталью чугуны обладают лучшими литейными свойствами и меньшими температурами плавления. Они хрупки и не ковки из-за ледебурита и графита.

Вторичная кристаллизация, т. е. превращения в твердом состоянии. Эти превращения связаны с переходом γ-железа в α-железо по линии GS при охлаждении, а также с расходом аустенита по линии ES.

Линия GS соответствует переходу γ→α. Ниже линии GS из аустенита выделяется феррит. Критические точки, образующие GS, в условиях равновесия при охлаждении обозначают Ar3.

Линия ES показывает изменение растворимости углерода в аустените с изменением температуры, а при охлаждении – соответствующей температуры начала распада аустенита с выделением из него цементита. Данный цементит называется вторичным, так как образуется из твердой фазы. Критические точки, образующие линию ES, обозначаются Acm.

Точка S при температуре 727 °С и 0,8 % С показывает минимальную температуру равновесного существования аустенита при охлаждении. По достижении этого состояния происходит распад аустенита с образованием

27

эвтектоидного перлита, который представляет собой механическую смесь двух фаз: феррита и цементита. Температуру фазового равновесия (727 °С или линию PSK) фаз аустенита ↔ перлита обозначают Ar1 или AС1. Точка P

характеризует предельную растворимость углерода в α-железе при эвтектоидной температуре 727 °С и составляет 0,025 % С.

Линия PQ показывает изменение растворимости углерода в феррите и при охлаждении соответствует началу выделения из феррита избыточного цементита. Сплавы, лежащие между точкой Q и точкой P, имеют двухфазную структуру: феррит + цементит из феррита, который называетсятретичным.

Сплавы, содержащие не более 0,025 % углерода, называются техническим железом. Они очень пластичны.

Сплавы, содержащие углерод от 0,025 до 0,8 % точки S, называют доэвтектоидными сталями. Они имеют структуру феррита, выделяющегося из аустенита в области температур Ar3 до Ar1 и перлита, образующегося из

аустенита по достижении им Ar1, т. е. точки S.

Сталь с содержанием углерода 0,8 % называется эвтектоидной. Она имеет в структуре только перлит.

Стали, содержащие от 0,8 до 2,0 % С называются заэвтектоидными сталями. Они имеют структуру вторичного цементита, который выделяется из аустенита при температурах ниже Acm, и перлита, образовавшегося при

условиях точки S из аустенита.

Чугуны (сплавы с содержанием углерода более 2,0 %) также делятся на

доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

В доэвтектических чугунах при понижении температуры вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените по линии SE происходит частичный распад аустенита. Причем распаду подвержен как тот аустенит, который представляет собой первичные кристаллы из жидкости, так и тот, который входит в ледебурит. Этот распад заключается в выделении кристаллов вторичного цементита и уменьшении содержания углерода в аустените.

По достижении температуры 727 °С аустенит, обедненный углеродом до 0,8 %, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектоидные чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру перлита + ледебурита (перлит + цементит) + цементит (вторичный). Эвтектический чугун (4,3 % С) при температуре 727 °С и ниже состоит только из ледебурита.

Заэвтектический чугун при температурах ниже 727 °С состоит из первичного цементита и ледебурита, состоящего из перлита и цементита.

28

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов в системе Fe + Fe3C. Сплав I (доэвтектоидная сталь с 0,6 % С):

1) L(I) при температурах t1–t2 → A + L(1–8); 2) от t2 до t3 – охлаждение;

3) A(3) при температурах t3–t4 → Ф + A(3–S);

4) A(S) при t4 → П;

5) П → Ф(P – Q) + ЦIII.

Цементит (III) довольно трудно различим, поэтомустадию Фp → Ф(P–Q) +

+ ЦIII не пишут.

Сплав II (перлитная сталь):

1) L(II) при температуре t6–t7 → A + L(6–7); 2) охлаждение от t7 до 727 °С (Ar1);

3) A при Ar1 → эвтектоид (перлит).

Тонкие чередующиеся пластинки цементита и феррита называются пластинчатый перлит.

Сплав III:

1) L(III) при t8 – t9 → A + L(8–9);

2) охлаждение от t9 до Aсm;

3) А при t10 – Ar1 → ЦII + A(10S);

4) A(S) при Ar1 → перлит.

Избыточный цементит (II) выделяется в виде игл на границах зерен бывшего аустенита. Сетка Ц(II) нежелательна и ее переводят в зернистый Ц(II) термообработкой заэвтектоидной стали.

Сплав IV:

1) L(IV) при t12 – tC → A + L(12–C);

2) L(C) при tC = 1146 °C → эвтектика А;

3) А(Е) при tC – tS → Ц(2) + А(Е + S); 4) A(S) при Ar1 → П.

Сплав V (эвтектический чугун):

1) L(V) при t = 1130 °C → ледебурит (Л);

2) A(E) при t6 – tS → Ц(II) + A(E – S); 3) A(S) при tS → П.

29

Ледебурит представляет собой пластинки цементита с мелкими включениями перлита, которые образуются по местам залегания аустенита.

Сплав VI:

1) L(VI) при t17 = 1130 °C → Ц(I) + L(17–C);

2) L(C) при t = 1130 °C → Л;

3) А(Е) при tC–tS → A + Ц(II); 4) A(S) при tS → П.

Соединение карбид железаFe3C – нестабильная фаза. Стабильной фазой является графит. Образование графита происходит в результате выделения его:

–из жидкости;

–твердого раствора;

–в результате распада Fe3C.

Процесс образования графита в чугуне или стали называется графитизацией. На диаграмме пунктиром показаны линии фазовых переходов с образованием графита – стабильная система. В данной системе при температуре, соответствующей линии С´D´, кристаллизуется первичный графит. При 1155 °С (линия Е´C´F´) образуется графитная эвтектика: аустенит + графит ГЭ. По линии S´E´ выделяется вторичный графит Г(II), а при 738 °С по линии P´S´K´ образуется эвтектоид, состоящий из феррита и графита Гэд. [3]

Вероятность образования в жидкой фазе или в аустените цементита, содержащего лишь 6,67 % углерода, значительно больше, чем графита, состоящего из углерода на 100 %.

Кроме того, выделение графита из жидкой фазы возможно лишь при незначительном переохлаждении (не более 0,5 °С), что соответствует очень малой, практически нереальной скорости охлаждения.

Ускоренное охлаждение частично или полностью подавляет кристаллизацию графита и способствует образованию цементита. При переохлаждении жидкого чугуна ниже 1145 °С всегда выделяется цементит.

Наличие в жидкости различных включений (окислов, частиц графита, кремнезема) облегчает рост графитовых зародышей и может привести к образованию графита и при температурах меньших, чем 1145 °С. Иногда этого добиваются искусственно, вводя в расплав модификаторы.

Графит, выпадающий из жидкой фазы, имеет вид искривленных лепестков или хлопьев.

30