1.7. Железо и его сплавы

К железоуглеродистым сплавам относятся стали и чугуны. Основ­ными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, является железо и углерод. Более подробно эти сплавы будут рассмотрены далее.

1.7.1. Фазы в железоуглеродистых сплавах

Известно, что железо может находиться в двух аллотропических формах — α и γ. Железо с углеродом образует твердые растворы и химические соединения. α-Железо растворяет углерода очень мало (до 0,02% при 727 °С). Твердый раствор (внедрения) углерода в α-железе называется ферритом. Фер­рит имеет низкую твердость и прочность [НВ = 80; σ_в = 245 МПа (25 кГ/мм²)], высокую пластичность (δ = 50%; ψ = 80%). Поэтому технически чистое железо, структура которого представляет зерна феррита, хорошо подвергается холодной деформации, т. е. хорошо штампуется, прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в железоуглеродистых сплавах, тем они пластич­нее. γ-Железо растворяет углерод в значительно больших количествах (до 2,14% при 1147 °С). Твердый раствор (внедрения) углерода в γ-железе называется аустенитом. Характерная особенность аустенита заключается в том, что он в простых железоуглеродистых сплавах может существовать только при высоких температурах. Аустенит имеет микроструктуру, представляющую собой зерна твердого раствора. Аустенит пластичен, твер­дость его НВ = 160…200, δ = 40…50%, поэтому аустенит хорошо подвергается горячей деформации.

Железо с углеродом также образуют химическое соединение Fe₃С, называемое цементитом или карбидом железа. В цементите 6,67 %С, цементит обладает большой твердостью (НВ = 800), но совершенно не­пластичен, т. е. хрупкий. Чем больше цементита в железоугле­родистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. Цементит неустойчив и при определенных условиях может распадаться, выде­ляя свободный углерод в виде графита.

1.7.2. Диаграмма состояния железо — цементит

Диаграммой состояния называется графическое изображение, показывающее фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и химической концентрации компонентов в условиях равновесия.

В практически применяемых сплавах железа с углеродом содержание углерода не превышает 5%. Поэтому диаграмму состояния железо — углерод рассматривают не полностью от 0 до 100% углерода, а только часть ее, а именно до 6,67% углерода (что соответствует содержанию углерода в цементите). Такую диаграмму (рис. 8) обычно называют диаграммой состояния железо — цементит (Fe — F₃С). На этой диаграмме точка А (1539 °С) отвечает температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (~ 1600 °С) — температуре плавления (за­твердевания) цементита.

В соответствующих областях диаграммы указаны фазы и структурные составляющие, которые существуют в железоуглеродистых сплавах.

В точке С при 1147 °С и содержании 4,3% углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом (L_C → А_Е + Ц).

На линии эвтектического превращения ЕСF (1147 °С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% оконча­тельно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита).

Превращения, протекающие при затвердевании сплавов, называют первичной кристаллизацией. В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14% образуется однофаз­ная структура — аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями. Следовательно, сталь — это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14%.

Рис. 8. Диаграмма состояния Fe – Fe₃C

Сплавы с содержанием углерода более 2,14%, в которых при кристаллизации образуется эвтектика (ледебурит), называют чугунами. Следовательно, чугун — это железоуглеродистые сплавы с содержа­нием углерода более 2,14%. В рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

В железоуглеродистых сплавах превращения происходят также и в твердом состоянии, т. е. после полного затвердевания, называемые вторичной кристаллизацией и характеризуемые линиями GSE, PSK, PQ.

Критические точки, лежащие на линии GS, обозначаются А₃ , при нагреве их обозначают Ас₃, а при охлаждении — Ar₃.

Линия SE показывает, что с понижением температуры раствори­мость углерода в аустените уменьшается. В результате из аустенита выделяется избыточный углерод с образованием цементита, называемого вторичным. Критические точки, лежащие на линии SE, обозначаются Ас_т.

Линия PSK (727 °С) — это линия эвтектоидного превращения. На этой линий во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь фер­рита и цементита называемую перлитом (А_S → Ф_Р + Ц). Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначаются А₁, при нагреве их обозначают Ас₁ а при охлаждении — Аr₁.

Ниже 727 °С железоуглеродистые сплавы имеют следующие струк­туры. Стали, содержащие углерода менее 0,8%, имеют структуру фер­рит + перлит и называются доэвтектоидными сталями.

Сталь с содержанием углерода 0,8% имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью.

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% имеют структуру цемен­тит + перлит и называются заэвтектоидными сталями.

Белые чугуны с содержанием углеро­да от 2,14 до 4,3% имеют структуру пер­лит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими чугунами.

Белый чугун с содержанием углеро­да 4,3% имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим чугуном.

Белые чугуны с содержанием угле­рода от 4,3 до 6,67% имеют структуру цементит первичный + ледебурит и на­зываются заэвтектическими чугунами.

Линия PQ показывает, что с понижением температуры раствори­мость углерода в феррите уменьшается. В результате из феррита при охлаждении выделяется избыточный углерод с образованием цементита, называемого третичным.