Тема 8. Железо и сплавы на его основе.

8.0. Введение

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них сталь и чугун - представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Ниже рассмотрено строение и фазовые превращения в сплавах железо - углерод, а так же фазы в сплавах железа с легирующими элементами.

10.1. Компоненты и фазы в системе железо - углерод

Железо - металл серого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Температура плавления 15390С. имеет две полиморфные модификации  и . Модификация  - железо существует при температуре ниже 9100С и выше 13920С (рис. 43 а). В интервале температур 1392 - 15390С  - железо нередко обозначают как  - железо. Имеет решетку ОЦК с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 7680С  - железо магнитно (ферромагнитно). Температуру 7680С, соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферромагнитное состояние в парамагнитное, называют точкой Кюри обозначают А2.

Плотность  - железо - 7,68 г/см3.  - железо существует при температуре 910 - 13920С; оно парамагнитно. Имеет решетку ГЦК. Период решетки 0,3645 нм. Критические точки превращения  при 9100С обозначаются соответственно Ас3 при нагреве и Аr3 при охлаждении. Критически точки перехода   при 13920С обозначают Ас4 при нагреве и Аr4 при охлаждении.

Углерод - неметаллический элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см3, температура плавления 35000С, атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях . Также может быть в виде химического соединения цементита. В высокоуглеродистых сплавах и в виде графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

В системе Fe - C различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы - фер-рит и аустенит, а также цементит и графит

Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и других примесей в  - железе. Различают низкотемпературный феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемператур-ный   феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Атом углерода располагается в решетке феррита в центр грани куба. где помещается сфера радиусом 0,29 атомного ра-диуса железа, а также в вакансиях, на дислокациях.

Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (рис. 43 б). Феррит (при 0,06%С) имеет примерно следующие механические свойства:

 = 250 МПа,  = 120 МПа,   50 %,  = 80 % , 80 - 90 

Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в  - железе. Предельная растворимость углерода в  - железе 2,14%. Атом углерода в решетке  - железа располагает-ся в центре элементарной ячейки, в которой может поместиться сфера радиусом 0,41 атом-ного радиуса железа и в дефектных областях кристалла.

Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести прочности.

Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна (рис. 43 в).

Цементит (Ц) - это химическое соединение железа с углеродом - карбид железа Fe3С. В цементите содержится 6,67%С. Цементит имеет сложную ромбическую с плотной упа-ковкой атомов. К характерным особенностям цементита относят высокую твердость 1000HV и очень малая пластичность. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образует графит.

Графит имеет гексагонально-слоистую кристаллическую решетку. Межатомные рас-стояния в решетке небольшие и составляют 0,142 нм, расстояние между плоскостями равно 0,34 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью.

В сплавах Fe - С существует две высокоуглеродистые фазы: метастабильная - цемен-тит и стабильная - графит. Поэтому различают две диаграммы состояния - метастабильную Fe - Fe3C и стабильную Fe - C .