Тема 5 Система сплавов железо – углерод

Сплавы Fe – C очень широко применяются в технике. Причина в том, что при используемом в промышленности способе производства этих сплавов получают самые дешевые металлические материалы.

Структуры сплавов системы Fe – C описываются достаточно сложной диаграммой (рис. 5.1). Железо – это металл, проявляющий свойство полиморфизма. При низких температурах оно имеет решетку ОЦК (Fe_α). При температуре 911С в чистом железе кристаллическая решетка изменяется на решетку ГЦК (Fe_γ). При более высокой температуре происходит еще одно полиморфное превращение (1392С, снова образуется решетка ОЦК, но для практики это превращение не так важно, как при 911С). При температуре 1536С железо переходит в жидкое состояние.

Рис. 5.1. Диаграмма для сплава Fe - C (в упрощенном виде).

Углерод может растворяться в решетках ОЦК и ГЦК, но растворимость углерода в них очень сильно различается. В решетке ОЦК свободные места в центре граней куба малы в сравнении с размером атома углерода. Поэтому максимальное количество углерода, растворенного в решетке ОЦК составляет 0,02% при 727С и 0,01%С при 20С. Твердый раствор углерода в железе с решеткой ОЦК называется ФЕРРИТ.

В решетке ГЦК углерод может разместиться в достаточно большом свободном месте в центре куба. В результате растворимость углерода в решетке ГЦК намного выше. При температуре 1147С растворимость углерода составляет 2,14%, а при снижении температуры до 727С растворимость углерода уменьшается до 0,8%. Твердый раствор углерода в железе с решеткой ГЦК называется АУСТЕНИТ.

Нужно особо отметить, что при одинаковой температуре 727С растворимость углерода в феррите и аустените отличается в 40 раз. Именно это различие в растворимости играет важную роль в превращениях, которые происходят в рассматриваемых сплавах при нагреве и охлаждении.

Максимальную растворимость углерода в аустените (2,14%) считают формальной границей между сталями и чугунами. На самом деле содержание углерода в используемых практически сталях лежит в пределах 0,1 – 1,5%, в чугунах в пределах 2,5 – 5%.

Диаграмма завершается содержанием углерода, равным 6,67%. При этом содержании углерода образуется химическое соединение железа с углеродом – ЦЕМЕНТИТ. Цементит соответствует химической формуле Fe₃C и имеет сложную кристаллическую решетку, похожую на решетку алмаза. Твердость цементита очень велика и составляет более 60% от твердости алмаза.

Превращения при охлаждении стали

В левой верхней части диаграммы обведена окружностью область сложных структурных превращений. Эти превращения не очень важны для применения сталей при обычных температурах.

Превращения при охлаждении в стали, содержащей 0,8% углерода.

Рассмотрим процесс охлаждения стали, в которой содержится 0,8% углерода. Ниже линии солидус (точка 1) структура стали состоит только из зерен аустенита (рис. 5.2, а). До точки S изменений в структуре сплава не происходит. При температуре 727С в точке S пересекаются две линии.

Линия GS показывает зависимость температуры полиморфного превращения от содержания углерода в стали. Именно сталь с содержанием углерода 0,8% имеет наименьшую температуру начала полиморфного превращения.

Линия ES показывает максимальную растворимость углерода в аустените в зависимости от температуры. В точке S сталь с содержанием углерода 0,8% достигает максимально возможной растворимости углерода в аустените.

Рис.5.2. Охлаждение стали с содержанием углерода 0,8%.

В точке S превращение решетки ГЦК в решетку ОЦК происходит путем распада твердого раствора (аустенита) с образованием механической смеси кристаллов феррита и цементита (см. отрезок, проведенный из точки 2 на рис. 5.2). Кристаллы феррита и цементита имеют форму параллельных пластин – в этом случае атомам углерода приходится проходить самые короткие диффузионные пути. Именно перераспределение углерода дает возможность образовать кристаллы феррита, содержание углерода в которых в процессе превращения должно уменьшиться в 40 раз по сравнению с содержанием углерода в аустените. Весь лишний углерод переходит в кристаллы цементита. Таким образом, весь объем зерна аустенита превращается в смесь кристаллов феррита и цементита. Образующиеся пластины не могут пересекать границы зерен аустенита. Расстояние между центрами пластин феррита и цементита при медленном охлаждении составляет около 1 мкм.

Распад твердого раствора с образованием механической смеси кристаллов двух типов называют ЭВТЕКТОИДНЫМ ПРЕВРАЩЕНИЕМ. Выражение эвтектоидное превращение имеет смысл « похожее на эвтектическое превращение «. Действительно, и при эвтектическом, и при эвтектоидном превращении при определенной температуре образуется смесь кристаллов двух типов. Все отличие в том, что при эвтектическом превращении распадается жидкость, в которой высока скорость диффузии, атомы проходят довольно большие расстояния и могут возникнуть кристаллы больших размеров. При эвтектоидном превращении распадается твердый раствор, в кристаллах которого диффузия имеет намного меньшую скорость, чем в жидкости. Атомы не могут пройти больших расстояний, образуются кристаллы малого размера. Но образование кристаллов малого размера обеспечивает более высокую пластичность и ударную вязкость сплава.

ЭВТЕКТОИДНАЯ смесь феррита и цементита в системе Fe – C называется ПЕРЛИТ. Сталь, которая содержит ровно 0,8% углерода, называется эвтектоидной сталью. Доэвтектоидные стали содержат углерод в количестве <0,8%. Заэвтектоидные стали содержат углерод в количестве >0,8%.

Превращения при охлаждении в доэвтектоидной стали.

Рассмотрим превращения при охлаждении в доэвтектоидной стали (рис.5.3).

Рис.5.3. Превращения при охлаждении в доэвтектоидной стали.

Выше линии GS в точке 1 структура стали состоит только из кристаллов аустенита (структура 1 на рис 5.3). При снижении температуры такая структура останется без изменений до точки 2, лежащей на линии GS. В точке 2 должно начаться превращение решетки ГЦК в решетку ОЦК. Такое превращение может развиваться при условии, что удастся решить проблему лишнего углерода – в выбранной нами стали содержание углерода составляет 0,3 – 0.4%, а в решетке ОЦК может раствориться только 0.02%.

При температуре, соответствующей точке 2 на местах пересечения зерен аустенита появляются кристаллы феррита. Вначале они малы по размеру. Одновременно с образованием первых кристаллов феррита углерод перераспределяется с этих мест при помощи диффузии в окружающий аустенит. В точке 2 максимальная растворимость углерода в аустените не достигнута. Сталь охлаждается от температуры точки 2 до точки 3, в это время одновременно протекает два взаимосвязанных процесса

- растут кристаллы феррита (структура 2 на рис. 5.3)

- атомы углерода перед границей растущих кристаллов феррита переходят в окружающий аустенит.

Количество углерода в аустените возрастает (пунктирная линия на рис. 5.3, см. правило 3 чтения диаграмм) при температуре, соответствующей точке 3 до 0,8%. В точке 3 аустенит с содержанием углерода 0,8% превращается в перлит так, как происходило это превращение в точке S для стали, содержавшей 0,8% углерода. Кристаллы феррита, которые образовались в интервале между точками 2 и 3, остаются без изменений.

Таким образом, любая доэвтектоидная сталь при температуре ниже 727С состоит из феррита и перлита (структура 3 на рис. 5.3). Соотношение площадей, занятых в структуре стали ферритом и перлитом прямо пропорционально содержанию углерода в данной стали и определяется так, как это показано в нижней части рис. 5.3. Как видно из рисунка, при увеличении содержания углерода в структуре стали возрастет площадь, занимаемая перлитом, соответственно уменьшается количество феррита.

Превращения при охлаждении в заэвтектоидной стали.

Изменения в процессе охлаждении в структуре стали, содержащей около 1% углерода показаны на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Превращения при охлаждении в заэвтектоидной стали.

Выше линии ES структура стали состоит только из кристаллов аустенита (структура 1 на рис.5.4). При снижении температуры такая структура останется без изменений до температуры точки 2, лежащей на линии ES. Ниже этой линии структура аустенита устойчива, но содержание углерода в аустените уже превышает максимальную растворимость. Значит, часть атомов углерода должна уйти из кристаллической решетки аустенита, создать при помощи диффузии участки с повышенным до 6,67% содержанием углерода и образовать в этих местах кристаллы вторичного цементита.

В зависимости от скорости охлаждения такие кристаллы образуются в разных местах. При медленном охлаждении у атомов углерода есть время для перемещения путем диффузии к границам зерен аустенита (структура 2 на рис. 5.4). Кристаллам вторичного цементита проще выделиться в виде сетки на границах зерен, так как здесь нарушено правильное строение кристаллической решетки. Но появление такой структуры ведет к полной потере металлом пластичности и ударной вязкости. Поэтому медленного охлаждения заэвтектоидной стали с температур, превышающих 750С на заводах не допускают. При достаточно быстром охлаждении основная часть атомов углерода не успевает пройти путь до ближайшей границы зерна. Кристаллы вторичного цементита выделяются внутри кристаллов аустенита, и только небольшая часть новых кристаллов выделится на границах зерен, не создавая при этом сплошной сетки (структура 3 на рис. 5.4). Появление такой структуры приводит к увеличению твердости стали, при этом прочность, пластичность и ударная вязкость снижаются, но не до нуля.

Выделение вторичного цементита из аустенита снижает содержание углерода в аустените (пунктирная линия на рис. 5.4). При температуре, соответствующей точке 3 в аустените остается только 0,8% углерода. Как и в двух предыдущих случаях, такой аустенит в точке 3 превращается в перлит (структура 4 на рис. 5.4). Следовательно, при температуре ниже 727С заэвтектоидная сталь состоит из перлита и вторичного цементита. Форма кристаллов вторичного цементита зависит от скорости охлаждения, а их количество зависит от содержания углерода в стали – в перлите всегда содержится 0,8% углерода, а весь остальной углерод переходит в кристаллы вторичного цементита.