Глава III Железо и его сплавы

Диаграмма железо-углерод.

В промышленности наиболее широко распространены сплавы железа с углеродом. Около 93% используемых в мире конструкционных материалов составляют стали и чугуны. Для получения различных эксплуатационных свойств в стали и чугуны вводят легирующие элементы.

§ 1. Компоненты и фазы в системе железо-углерод.

Компоненты– железо и углерод.

Чистое железо. Это металл серебристо- белого цвета. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999%Fe. Технические сорта железа содержат 99,8…99,9%Fe. Температура плавления железа – 1539º.Железо имеет две полиморфные модификации -и. Модификациясуществует при температуре ниже 768ºС. Кристаллическая решётка-железа – ОЦК. До 768º-железо магнитно. Критическую точку 768º, соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу от ферромагнитного к парамагнитному состоянию, называют точкой Кюри и обозначают А₂. В интервале температур 768˚ до 911˚ существует модификация железа – β, которая также имеет кристаллическую решетку ОЦК, но с другим параметром.

При температуре 911…1392ºС существует -железо. Его решетка – ГЦК, оно парамагнитно. Критическую точкупревращения при 911º обозначают Ас₃при нагреве и Аr₃при охлаждении. Критическую точку переходапри 1392º обозначают Ас₄при нагреве и Аr₄при охлажде­нии.

Плотность -железа 7,68 г/см³.

Плотность -железа выше и равна 8,0…8,1 г/см³

δ

γ

β

α

Рис. Кривая охлаждения чистого железа.

Углерод. Является неметаллическим элементомIIпериодаIVгруппы. Температура плавления 3500ºС. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твёрдом состоянии, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высоко­углеродистых сплавах и в виде графита.

Фазы.

В системе Fe-Cразличают следующие фазы: жидкая фаза, твёрдые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф)– твёрдый раствор углерода в-железе.

Атом углерода располагается в решётке феррита в центре грани куба, а также в вакансиях, на дислокациях.

Различают низкотемпературный -феррит с растворимостью углерода до 0,02% при температуре 727˚С и высокотемпературный-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499ºС.

При комнатной температуре феррит растворяет 0,006% С и имеет низкие механические свойства: НВ 80…90, =50%,=25 кгс/мм². Под микроскопом феррит выглядит в виде однородных светлых зерен.

Аустенит(А) – твердый раствор углерода в-железе.

Атом углерода в решетке -железа располагается в центре элементарной ячейки и в дефектных областях металла.

Предельная растворимость углерода в -железе 2,14% при темпе­ратуре 1147º и 0,8% при температуре 727ºС.

Аустенит мягок, пластичен, НВ 160…200, =40…50%.

Под микроскопом выглядит в виде светлых зерен неправильной формы.

Цементит. Это химическое соединение железа с углеродом – карбид железаFe₃С. В нём содержится 6,67% С. Цементит имеет сложную ромби­ческую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления приблизительно 1600ºС. До температуры 210ºС (т. А₀) цементит ферро­магнитен. К характерным особенностям цементита относится высокая его твёрдость НВ 800…850 и очень малая пластичность=0%. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

Графит. Кристаллическая решётка графита гексагональная слоистая. Графит мягок и обладает низкой прочностью.