2.4.1. Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом.

Железо – пластичный металл серебристо-белого цвета. Твёрдость и прочность железа невысока (НВ80, σ_в = 250 МПа) при значительной пластичности (δ=50%). Температура плавления - 1539ºС, плотность 7,83 г/см².

Углерод встречается в природе в виде алмаза и графита. Графит имеют сложную кристаллическую решётку. Он является непрочным материалом, но с увеличением температуры прочность графита значительно возрастает. Температура плавления графита 3500ºС. С углеродом железо образует химические соединения и твёрдые растворы внедрения.

Цементит – это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fe₃C. В нём содержится 6,67% углерода (по массе). Имеет сложную ромбическую кристаллическую решётку. Характеризуется очень высокой твёрдостью (НВ800), крайне низкой пластичностью и хрупкостью. Температура плавления зависит от его состава (хром, молибден и др.) находится в широком диапазоне 1250…1600ºС.

Феррит – твёрдый раствор углерода в α-железе. Содержание углерода в феррите очень невелико – максимальное – 0,02% при температуре 727ºС. При комнатной температуре в феррите содержится не более 0,006% углерода. Благодаря столь малому содержанию углерода свойства феррита совпадает со свойствами железа (низкая твёрдость и высокая пластичность). Твёрдый раствор углерода в δ-железе, существующий при температуре 1392…1539ºС, также называется ферритом или высокотемпературным ферритом (δ-ферритом). Он характеризуется максимальной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499ºС.

Аустенит – это твёрдый раствор углерода в γ-железе. Максимальное содержание углерода в аустените составляет 2,14% (при температуре 1147ºС). Аустенит характеризуется высокой пластичностью и низкими прочностью и твёрдостью (НВ220).

Перлит – это механическая смесь феррита с цементитом, содержит 0,8%углерода, образуется из аустенита при температуре 727º С, является эвтектоидом. Эвтектоид – это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твёрдого раствора. Перлит имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Возможно и зернистое строение перлита, когда он состоит из зёрен цементита, окружённых ферритом. Зернистый перлит значительно пластичнее пластичного, имеет меньшую твёрдость.

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3% углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147ºС. При температуре 727ºС аустенит, входящий в состав ледебурита, превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом. Ледебурит обладает высокой твёрдостью (НВ600…700) и хрупкостью.

Фаза цементита имеет пять структурных фаз: цементит первичный, образующийся из жидкого сплава; цементит вторичный, образующийся из аустенита; цементит третичный, образующийся из феррита; цементит ледебурита; цементит перлита.

2.4.2. Диаграмма железо-цементит.

П рактическое значение имеют сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 6,67% (стали и чугуны). Поэтому рассматривают диаграмму состояния сплавов железа с углеродом только до этой концентрации, т.е. фактически рассматривается диаграмма железо-цементит (Fe-Fe₃C). На рис.2.2 приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температура его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно международному стандарту и изменению не подлежит.

Линия ABCD диаграммы является линией ликвидус. На ней начинается кристаллизация: на участке АВ – феррита, ВС – аустенита и CD – первичного цементита. Линия AHJECF является линией солидус диаграммы.

Главная роль в диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов отводится её левой части – сталям, так как на превращениях, происходящих в стале, основана термическая обработка. Рассмотрим эти превращения. В результате кристаллизации образуется аустенит. При дальнейшем понижении температуры аустенит претерпевает превращения, связанные с изменением кристаллической решётки (γ-железа переходит в α-железо), при этом снижается в нём растворимость углерода

В точке S, соответствующей содержанию углерода 0,8%, при температуре 727ºС аустенит полностью распадается, образуется перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной. Её структура состоит из одного перлита. Сталь, содержащую менее 0,8% углерода, называют доэвтектоидной, а сталь с содержанием более 0,8% углерода – заэвтектоидной. Переход чистого железа из модификации γ-железа в α-железо происходит при температуре 911ºС. На диаграмме это соответствует точке G. В доэвтектоидных сталях при температурах, лежащих на линии GS, начинается выделение феррита из аустенита. Поэтому при дальнейшем понижении температуры содержание углерода в оставшемся аустените возрастает. Когда она составит 0,8% (при температуре 727ºС), оставшийся аустенит перейдёт в перлит. Таким образом, в доэвтектоидной стали при полном охлаждении получается структура, состоящая из равномерно распределённых зёрен перлита и феррита. В заэвтектоидной стали на линии SЕ, при понижении температуры из аустенита, пересыщенного углеродом, по границам зёрен начинает выделяться вторичный цементит. Когда в аустените останется 0,8% углерода, он при температуре 727ºС перейдёт в перлит. Следовательно, в заэвтектоидной стали при медленном охлаждении получается структура, состоящая из перлита и вторичного цементита. При этом вторичный цементит расположен в тонкой сетки по границам зёрен перлита.

Сплав, содержащий до 0,02% углерода не имеет после завершения всех превращений в структуре перлита. Такой сплав часто называют техническим железом. Структура технического железа представляет собой зёрна феррита или феррита с небольшим количеством третичного цементита.

Линия GSE диаграммы называется линией верхних критическихточек или линией начала превращения аустенита (при охлаждении). Линия PSK диаграммы (температура 727ºС) называется линией нижних критических точек или линией перлитного превращения.