20. Фаза и структуры в системе железо-углерод, их краткие характеристики

Железо и его сплавы.

Железоуглеродистые сплавы являются важнейшими металлическими сплавами, применяемыми в современной технике. Основным компонентом является железо. Чистое железо – металл серебристо-белого цвета с молекулярной массой 55,8 и чистотой 99,999%. Техническое железо содержит 99,8-99,9% Fe. Тпл. 1539⁰С. Известны 2 полиморфные модификации Fe:  и . -Fe существует при температуре ниже 910⁰С и выше 1392⁰С. В интервале 1392-1539⁰С -Fe обозначают δ-Fe.

Для -Fe характерна ОЦК решетка. До температуры 768⁰С железо магнитно. Критичес-кую точку (768), соответствующую магнитному превращению называют т. Кюри и обозначают т. А₂. В этой точке происходит переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов термической об-работки. С увеличением степени чистоты магнитная проницаемость увеличивается.

При температуре 910-1392⁰С существует -Fe, оно парамагнитно. Критическую точку превращения -Fe↔- Fe при 910⁰С обозначают А_С3 (при нагреве) и Ar₃ (при охлаждении). Критическую точку перехода ↔γ-Fe при 1392⁰С обозначают Ас₄ (при нагреве) и Аr₄ (при ох­лаждении).

Кристаллическая решетка γ-Fe – гранецентрированный куб (ГЦК). Плотность γ-Fe выше, чем -Fe.

Углерод – неметаллический элемент П периода ΙV группы таблицы Менделеева с мо-лекулярной массой 12,01. Тпл. 3500⁰С. Углерод полиморфен. При нормальных условиях ста­бильна модификация графита, алмаз представляет собой его метастабильную форму. При высо­ких давлениях и температурах стабильной становится форма алмаза.

Углерод растворим в железе, как в жидком, так и в твердом состоянии, а также образует химическое соединение – карбид Fe-Fe₃C.

2. Фазы и структуры в железоуглеродистых сплавах.

Фазы в сплавах железо-углерод представляют собой жидкий сплав, твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и свободный углерод в виде графита. Структуры – перлит, ледебурит.

Феррит (Ф или α) – твердый раствор внедрения углерода в -Fe. Он имеет ОЦК ре­шетку, растворимость в которой углерода мала. Различают низкотемпературный и высокотем-пературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном Ф – 0,02%, минимум 0,002%, в высокотемпературном – 0,1%. Низкая растворимость углерода в -Fe обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Атом углерода располагается в центре грани куба. Значительная доля атомов углерода размещается на дефектах (вакансиях, дислокациях).

Кроме углерода феррит растворяет N₂ (твердый раствор внедрения) и легирующие металлы (твердые растворы замещения).

Феррит – мягкая, пластичная фаза, НВ 80-90.

Аустенит (А или γ)– твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe. Имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой почти в 2 раза больше, чем в ОЦК. Растворимость углерода в γ-Fe достигает 2,14%. Аустенит также может растворять другие элементы, причем металлы образуют твердые растворы замещения. Аустенит пластичен, но более прочен, чем феррит, НВ 160-200.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – Fe₃C. Содержит 6,67% углерода и имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. При нормальных условиях цементит тверд (НВ 800) и хрупок. Он слабо ферромагнитен до температуры 210⁰С (т. А₀). Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит. При высокой температуре цементит неустойчив и разлагается на графит и аустенит, поэтому Тпл. точно не определена и принимается приблизительно 1550⁰С.

В цементите железо может замещаться Mn, Cr и другими металлами, углерод – частично азотом.

Графит - углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Он имеет гексагональную слоистую кристаллическую решетку. Межатомное расстояние в решетке небольшое. Графит огнеупорен, электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.

Перлит – механическая смесь, состоящая из очень мелких пластинок, или зернышек цементита, расположенных в ферритной основе. Перлит является эвтектоидом. Эвтектоидом называется характерная равномерная пластинчатая или зернистая микросмесь, подобная эвтектике, но, в отличие от нее, образующаяся не из жидкого состояния, а при превращении твердого раствора.

Эвтектоиды, как и эвтектики, встречаются не только в сплавах железо – цементит (Fe-Fe₃C), но и в других сплавах.

Поверхность травленого шлифа эвтектоидной стали имеет вид перламутра, отсюда и название (перлит).

В сплавах Fe-С, не содержащих примеси других компонентов, чистый перлит образуется при содержании 0,8% углерода. В сталях и чугунах, содержащих Si, Mn и другие элементы, чистый перлит получается при меньшем количестве углерода.

В зернистом перлите цементит имеет шарообразную форму. Такая структура часто встречается в высокоуглеродистых сталях, после специальной термической обработки (на зернистый перлит (цементит)). Механические свойства перлита зависят от дисперсности (степени измельчения) частичек цементита. Чем грубее и крупнее в перлите цементитные выделения, тем ниже его механические свойства. Твердость зернистого перлита колеблется в пределах НВ 160-220, а пластинчатого 200-250.

Ледебурит –представляет собой эвтектику, состоящую [в момент образования] из цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом. Содержание углерода в ледебурите 4,3%. Ледебурит отличается большой твердостью (НВ более 700) и хрупкостью. Ледебурит встречается в структуре белых и половинчатых чугунов. Имеет сотовое или пластинчатое строение. При медленном охлаждении – сотовое, при быстром – пластинчатое.