Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Компоненты и фазы

Компонентами в сплавах железа с углеродом являются металл железо и неметалл углерод.

Ж елезо (Fe) имеет температуру плавления 1539 ºC. В твердом состоянии испытывает два полиморфных превращения. Важнейшее из них – превращение при 911 ºC. Ниже этой температуры железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) с параметром a = 0,286 нм (рис. 62, а). Это α-железо (Fe_α). Выше 911 ºC существует γ-железо (Fe_γ) с гране-центрированной кубической решеткой (ГЦК) и параметром a = 0,364 нм (рис. 62, б).

а б

Рис. 62. Кристаллическая решетка -железа (а) и -железа (б)

α-железо ферромагнитно, а высокотемпературная модификация Fe_γ парамагнитна, что позволяет легко обнаруживать тот и другой вид решетки магнитными методами.

Высокотемпературное превращение γ-железа в δ-железо с ОЦК решеткой меньше влияет на структуру и свойства сплавов, поэтому далее не рассматривается. Обозначение β-железо присвоено парамагнитному железу с ОЦК решеткой, которое существует от точки Кюри (768 ºC) до 911 ºC.

Углерод (C) при нормальных условиях существует в виде графита с гексагональной слоистой кристаллической решеткой. Углерод не плавится при нагреве, а возгоняется (переходит в газовую фазу) при температуре 3800 ºC. Он мягкий, непрочный, хорошо проводит электричество.

Модификация алмаза с решеткой, где каждый атом имеет четыре равноудаленных соседа, стабильна только при высоких давлениях и температурах. В сплавах с железом алмазная решетка углерода не встречается.

Какие же фазы образуют при взаимодействии эти столь непохожие компоненты?

Углерод может растворяться в жидком железе и в решетках обеих полиморфных модификаций, а также образует с железом химическое соединение. Поэтому в сплавах могут присутствовать следующие фазы: жидкий раствор (Ж), феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц), графит (Г).

Феррит – это твердый раствор внедрения углерода в α-железо с предельной растворимостью 0,02 % С. Атомы углерода размещаются в дефектах кристаллической решетки железа, так как поры ОЦК решетки для них слишком малы (рис. 63, а). Феррит мягок и пластичен: = 300 МПа,  = 40 %, HB = 80-100.

А устенит – это твердый раствор внедрения углерода в γ-железо с предельной растворимостью 2,14 % С. Атомы углерода размещаются в порах ГЦК решетки железа (рис. 63, б). Аустенит пластичен, но прочнее феррита: HB = 160-200, в зависимости от концентрации углерода.

а б

Рис. 63. Кристаллическая решетка феррита (а) и аустенита (б)

Цементит Fe₃C– это химическое соединение углерода с железом, т.е. карбид железа, содержащий 6,69 % C. Имеет сложную ромбическую решетку, очень тверд и хрупок: его твердость составляет приблизительно 800HB. Цементит при длительном нагреве свыше 1000 ºC разлагается на железо и углерод. При быстром нагреве (лучом лазера) плавится при 1260 ºC.

Графит – это чистый углерод: мягкий, непрочный, химически стойкий, хорошо проводит электричество.

Кроме перечисленных фаз, в структуре сплавов железа с углеродом присутствуют две структурные составляющие: эвтектика и эвтектоид. Что такое эвтектика, Вам уже известно. В системе железо – углерод эвтектика содержит 4,3 % С и кристаллизуется при температуре 1147 ºC. Она представляет собой механическую смесь кристаллов аустенита и цементита и называется ледебурит (в честь австрийского ученого-металлурга Ледебура):

Л = А + Ц.

Эвтектоид – это механическая смесь кристаллов двух твердых фаз, которая образуется при распаде твердого раствора (а не кристаллизуется из жидкости, как эвтектика). В системе железо – углерод эвтектоидом является смесь пластинчатых кристаллов феррита и цементита, которая образуется за счет распада аустенита при температуре 727 ºC:

А → Ф + Ц.

Эту смесь, содержащую 0,8 % С, называют перлитом (от слова «перламутр», так как на протравленной поверхности сплава перлит дает радужную окраску, напоминающую внутренние створки раковины моллюска). Перлит имеет наиболее удачное сочетание механических свойств из всех равновесных структур в сплавах железа с углеродом. В нем мягкие, вязкие пластины феррита чередуются с прочными, твердыми, жесткими пластинами цементита: П = Ф + Ц. Такая структура хорошо сопротивляется самым разным механическим нагрузкам, обладает высокой прочностью и достаточной вязкостью. Твердость перлита составляет 180-220 HB, в зависимости от размера зерна.

Превращения в сплавах железо – углерод

Диаграмма железо – углерод строится в тех же координатах, что и ранее рассмотренные диаграммы состояния: по оси абсцисс – концентрация углерода в сплавах, по оси ординат – температура (рис. 64). Приведенная с некоторыми упрощениями диаграмма заканчивается ординатой, соответствующей химическому соединению железа с углеродом – цементиту (6,69 % C). Правее этой концентрации диаграмму обычно не изображают, так как эти сплавы не имеют практического применения.

Р ис. 64. Диаграмма состояния железо – цементит

Линия ACD – ликвидус диаграммы. В левой части, под кривой AC, кристаллизуется аустенит, а в правой, под кривой CD, – цементит. Солидус диаграммы AECF состоит из криволинейного участка AE, на котором заканчивается кристаллизация аустенита, и горизонтального участка ECF, на котором образуется эвтектика, состоящая из аустенита и цементита:

Ж_4,3 → А_2,14 + Ц_6,7.

В сплавах, расположенных левее точки C, по мере образования аустенита концентрация углерода в жидкости растет, так как аустенит содержит не более 2,14 % С. А в сплавах, расположенных правее точки C, наоборот, по мере кристаллизации цементита содержание углерода в жидкости снижается. К моменту достижения температуры 1147 ºC жидкий раствор в любом сплаве имеет эвтектическую концентрацию: 4,3 % С.

Но с окончанием кристаллизации превращения в сплавах железа с углеродом не заканчиваются. Железо при 911 ºC меняет тип решетки, растворимость углерода в нем резко уменьшается. В области GSP сосуществуют два твердых раствора: феррит и аустенит. При охлаждении сплавов, содержащих менее 0,8 % С, в аустените зарождаются и растут зерна новой, равновесной при низкой температуре, фазы – феррита. При этом концентрация углерода в аустените растет, так как феррит углерода почти не содержит. К моменту достижения температуры 727 ºC аустенит содержит 0,8 % С.

Кроме того, по мере охлаждения уменьшается и растворимость углерода в аустените. На диаграмме это отражает линия SE – линия предельной растворимости; ниже этой линии углерод выделяется из решетки γ-железа. Но активный атомарный углерод тут же вступает в химическое взаимодействие с железом, образуя карбид Fe₃C (цементит). Этот цементит называют вторичным, потому что он выделяется из твердого раствора, а не кристаллизуется из жидкости. Во всех сплавах, содержащих более 0,8 % С, при охлаждении из аустенита выделяется цементит. При этом концентрация углерода в аустените снижается: от 2,14 % при 1147 ºC до 0,8 % при 727 ºC.

Итак, при температуре эвтектоидного превращения (727 ºC) аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию (0,8 % С), распадается на механическую смесь кристаллов феррита и цементита:

А_0,8 → Ф_0,02 + Ц_6,7.

При нормальной температуре все многообразие структур в сплавах железа с углеродом строится из двух равновесных фаз: феррита и цементита.

Стали и чугуны

Сплавы железа с углеродом издавна разделяли на две большие группы: стали и чугуны.

Границей между этими двумя группами сплавов является точка E с содержанием углерода 2,14 % – предел растворимости углерода в железе. Но и задолго до появления точных методов анализа, и вообще материаловедения как науки, мастера плавильного и кузнечного дела прекрасно отличали сталь от чугуна, получали их и обрабатывали. Эти сплавы имеют совершенно разные технологические свойства: сталь можно ковать, прокатывать, вытягивать в тонкую проволоку, с чугуном же это проделать не удастся, он разрушается от ударных и растягивающих нагрузок. Зато чугун является одним из лучших литейных сплавов, позволяя получать тонкостенные фасонные отливки.

Эта разница в свойствах становится понятна, если проанализировать диаграмму состояния железо – углерод. Все стали (сплавы, содержащие менее 2 % углерода) при нагреве становятся однофазными. Фаза эта – аустенит, твердый раствор на базе железа с ГЦК решеткой. Металлы с таким типом решетки наиболее пластичны. Поэтому сталь – сплав деформируемый.

Чугун же до самой температуры плавления остается двухфазным, и одна из этих фаз – твердый хрупкий цементит, который не позволяет деформировать материал. Но чугуны кристаллизуются в относительно узком интервале температур, заканчивается кристаллизация образованием эвтектики при постоянной температуре. Это значит, что такие сплавы должны иметь хорошие литейные свойства (высокую жидкотекучесть, малую усадку) и не образовывать литейных дефектов. Поэтому чугуны – сплавы литейные.

Надо еще отметить, что фазовые превращения в твердом состоянии позволяют упрочнять сталь термической обработкой. Для чугуна термообработка неэффективна, так как эвтектика – ледебурит – остается неизменной до температуры плавления.

Классификация сплавов железа с углеродом по структуре

По структуре различают следующие группы сталей:

1. техническое железо с содержанием углерода менее 0,02 %. Структура сплава однофазная – феррит (рис. 65, а);

2. доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8 %. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает (рис. 65, б);

3. эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8 %. Структура стали – перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита (рис. 65, в);

4. з аэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 %. Структура состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементитными оболочками (рис. 65, г).

а б в г

Рис. 65. Микроструктура углеродистых сталей:

а – техническое железо; б – доэвтектоидная сталь;

в – эвтектоидная сталь; г – заэвтектоидная сталь

Чугуны, изображенные на диаграмме, относятся к группе белых чугунов. В них весь углерод находится в связанном виде – в виде цементита Fe₃C. По структуре различают следующие разновидности белых чугунов:

1. доэвтектические белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %. Структура сплавов состоит из эвтектики (ледебурита) и участков перлита;

2. эвтектический белый чугун с содержанием углерода 4,3 %. Структура сплава – ледебурит, состоящий из цементита (светлая составляющая) и перлита (темные участки);

3. заэвтектический белый чугун с содержанием углерода от 4,3 до 6,69 %. Структура состоит из пластин первичного цементита и ледебурита.

а б в

Рис. 66. Микроструктура белых чугунов:

а – доэвтектический белый чугун; б – эвтектический белый чугун;

в – заэвтектический белый чугун

Лекция 10