5.Железо и его сплавы

Железо - серебристо-серый металл, принадлежащий к VII группе периодической системы.

Железо в твердом состоянии может находится в двух полиморфных модификациях: объемно-центрированной и гранецентрированной (куб).

Кривая нагрева и охлаждения.

В двух полиморфных и одном магнитном превращениях.

При магнитном превращении температурная остановка 768С связанная не с перестройкой кристалической решетки и перекристализацией, а с внутренним и внешним изменением электронных оболочек.

Углерод (С) принадлежит к IV группе периодической системы. В природе: алмаз и графит - мягкий материал и обладает низкой прочностью.

Углерод образует с железом твердые внедрения.

В системе железо-углерод присутствуют следующие фазы: жидкая, твердые растворы феррита и аустенита, химические соединения цементита и графита.

Феррит (Ф) - внедрение углерода (С) в -железо, свойства близки к чистому железу, при температуре +20С в феррите растворяется около 0,006% углерода.

Аустенит (А) - внедрение углерода в -железо при температуре 727С - 0,8% углерода. Обладает большей вязкостью, хорошей сопротивляемостью старению, химической стойкостью и твердостью.

Цементит (Ц) - карбид железа (Fe-Fe₃C) 6,67% углерода. Температура плавления 1252С, высокая твердость, легко царапает стекло, очень хрупок, низкая пластичность, при нагреве распадается.

Кермет - эвтектоидная смесь зерен цементита и феррита, соответствующая полному распаду твердого раствора аустенита и содержащая 0,8% углерода.

Ледебурит - состоит из цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом. Аустенит при 727С превращается в кермет, и при нормальной температуре ледебурит состоит из смеси кермета и цементита, содержит 4,3% углерода. Характерен для структуры белых чугунов.

Представлены две системы сплавов.

• Система Fe-Fe₃C - неустановившаяся (нестабильная), т.к. цементит - неустановившееся соединение, способное при нагреве распадаться (сплошные линии). Характеризует стали и белые чугуны.

• Система Fe-С (стабильная, пунктиром) характеризует сплавы, в которых углерод находится в свободном состоянии (графит).

По вертикальной оси отложена температура, а по горизонтальной - концентрация углерода.

Диаграммы охватывают сплавы, с содержанием С до 6,67%, с большим содержанием углерода сплавы применения не находят.

Точка А - соответствует температуре плавления t_ПЛ (затвердевания) чистого железа (1539С) - D - t_ПЛ цементита (1250С).

АСD - линия ликвидуса;

AECF - линия солидуса.

Выше линии ликвидуса - сплавы находятся в жидком состоянии.

Линия солидуса показывает температуру затвердевания сплавов, на ней заканчиваются процессы первичной кристаллизации.

Между солидусом и линией PSK - проходят процессы вторичной кристаллизации.

Первичная кристаллизация:

АСЕ - охватывает сплавы, содержащие до 4,3% углерода.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

По линии АС из жидкого расплава выделяются кристаллы твердого раствора углерода в -железе (аустенит).

На линии АF - заканчивается кристаллизация сплавов содержащих до 2,14% углерода и образуется аустенит.

Между АС и АЕС - сплавы имеют двухфазное состояние: кристаллы железа, изменяющие свой состав по линии АЕ, и жидкий сплав, изменяющий свой состав по линии АС.

При температуре 1147С в аустените содержится 2,14% углерода (точка Е), а в жидкой части сплава 4,3% углерода (точка С).

Сплавы, содержащие 4,3% углерода выделяются среди других в системе: они затвердевают при одной температуре 1147С (точка С), образуя только эвтектику (ледебурит).

Линия DC - начало выделения из жидкого сплава кристаллов первичного цементита Fe₃С₁. В интервале от DС до СF - двухфазное состояние: кристаллы цементита и жидкий сплав, состав которого изменяется по линии DС до концентрации 4,3%. На линии СF - кристаллизация заканчивается появлением эвтектики.

Вторичная кристаллизация - ниже линии солидуса.

В сталях на участке между линиями АЕ и GSE все сплавы имеют однофазное состояние и имеют структуру аустенита.

Точка S (сталь содержит 0,8% углерода при температуре 727С) претерпевает эвтектоидное превращение: из аустенита образуется смесь феррита и цементита (кермет). Это превращение называют аллотропическим.

При охлаждении линия GS - начало выделения из аустенита кристаллов феррита.

По линии ЕС - из аустенита выделяются кристаллы вторичного цементита.

На линии SK - аустенит превращается в перемет.

Сплавы содержащие 2,14  6,67% углерода ниже линии ЕСF (1147С) находятся в двухфазном состоянии: аустенит и цементит. Аустенит по линии ЕСF - имеет максимальную концентрацию углерода 2,14%. Ниже ЕСF - при охлаждении из аустенита выделяется вторичный цементит.

При температуре 727С остается 0,8% углерода и он превращается в перит.