Занятие 5. Железоуглеродистые сплавы (структурный и фазовый составы)

К железоуглеродистым относятся сплавы, основными компонентами которых являются железо и углерод. Железо обладает температурным полиморфизмом и может существовать в двух аллотропических модификациях: в виде α -железа с ОЦК и γ -железа с ГЦК кристаллическими решетками. С углеродом железо образует твердые растворы и химическое соединение.

Твердый раствор внедрения углерода в α-железе называется ферритом. Растворимость углерода в нем очень мала (максимум 0,02 % при температуре 727°С). Феррит обладает низкой твердостью и высокой пластичностью.

Твердый раствор внедрения углерода в γ-железе называется аустенитом. Максимум растворимости углерода в аустените 2,14 % (при температуре 1147 °С). В равновесном состоянии аустенит существует лишь выше 727 °С. Он обладает высокой пластичностью и низкой твердостью.

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe₃C, называемое цементитом. Цементит очень тверд и хрупок.

Железоуглеродистые сплавы с концентрацией углерода, не превышающей 2,14 %, называют сталями, с более высокой - чугунами. Кристаллизация сталей завершается на линии AHIE диаграммы Fe-Fe₃C. На линии HIВ протекает перитектическая реакция.

По равновесной структуре стали в зависимости от содержания углерода подразделяют на техническое железо (С ≤ 0,02 %), доэвтектоидные (0,02<С<0,8 %), эвтектоидные (С = 0,8 %) и заэвтектоидные стали (0,8<С≤2,14%).

В структуре технического железа присутствуют феррит и третичный цементит, выделяющийся при охлаждении сплава ниже 727°С из феррита.

Структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. Перлит -это эвтектоид - механическая смесь феррита и цементита, образующаяся в результате эвтектоидной реакции из аустенита при охлаждении сплавов ниже 727°С (линии PSK диаграммы Fe-Fe₃C). Перлит содержит 0,8 % углерода. По относительному количеству перлита можно судить о содержании углерода в сплаве. Для этого достаточно перемножить долю видимой на микрошлифе площади, занятой перлитом, на 0,8.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода. Структура ее полностью состоит из перлита.

В структуре заэвтектоидной стали содержатся перлит и вторичный цементит, выделяющийся при охлаждении сплава в интервале температур 1147 ... 727°С из аустенита в соответствии с линией предельной растворимости SE диаграммы Fe-Fe₃C.

Чугуны в системе Fe-Fe₃C называют белыми. Эти сплавы содержат углерод исключительно в химически связанном состоянии в виде Fe₃C.

Кристаллизация белых чугунов завершается эвтектическим превращением при температуре ниже 1147 °С (линия ECF диаграммы Fe-Fe₃C) с образованием эвтектики, называемой ледебуритом и представляющей собой механическую смесь аустенита и цементита. При охлаждении ниже 727°С аустенит претерпевает эвтектоидное превращение и ледебурит становится смесью перлита и цементита.

По равновесной структуре белые чугуны подразделяют на доэвтектичекие, эвтектические и заэвтектические.

Содержание углерода в доэвтектическом чугуне может находиться в пределах 2,14 ... 4,3 %. Структура его состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита.

Эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода. Структура его состоит полностью из ледебурита.

В заэвтектическом чугуне содержится более 4,3 % углерода (до 6,67%). Его структура состоит из первичного цементита, выделившегося из жидкости, и ледебурита.

Чугуны со структурно свободным углеродом в зависимости от геометрической формы графитных включений называют: серыми (графит пластинчатой формы), ковкими (графит хлопьевидной формы), высокопрочными (графит шаровидной формы). Металлическая основа чугунов может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. В ферритных чугунах (чугунах с ферритной металлической основой) нет углерода, связанного в Fe₃C. В перлитных - 0,8 % углерода связано в цементит. При одинаковой металлической основе механические свойства чугунов возрастают от серого к высокопрочному.

Серые чугуны получают при охлаждении отливок с обычными скоростями, характерными для песчаных форм (при больших скоростях получают белый чугун). Маркируют серые чугуны буквами СЧ и числом, обозначающем временное сопротивление σ_В кг/мм² (в десятых долях МН/м²).

Ковкие чугуны получают путем длительного графитизирующего отжига белых чугунов. Маркируют ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, первое из которых - σ_В кг/мм², второе - относительное удлинение δ в %.

Высокопрочные чугуны получают путем модифицирования жидкого сплава магнием или церием. Маркируют чугуны буквами ВЧ и числом, обозначающим σ_В кг/мм².