15. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

Железо — металл серебристого цвета с тем­пературой плавления 1539°С. Чистое железо, получае­мое в настоящее время, содержит 0,001 % примесей, а технические сорта железа содержат 0,1...0,2% (С, Мп, Si, S, Р и др.). Весьма важным свойством железа явля­ется аллотропия. Установлено, что железо имеет две модификации (а и у), отличающиеся строением и свойст­вами, а-железо существует при температурах ниже 911 °С ,и выше 1401 °С. Для интервала температур 1401.. .1539 °С а-железо обозначают б-железо. Модифи­кация у-железо существует в интервале температур 911...1401 °С.

Механические свойства железа зависят от чистоты и размера зерен. Твердость железа составляет 58…80 НВ, предел прочности при растяжении 180…280 МПа, удлинение 30…50%, сужение 70…80 %. Железо легко образует сплавы со многими элементами (С, Si, Мп, С г, Ni и др.) Плотность железа равна 7,68 т/м³, коэффициент линейного расширения — 11,7-10~⁶ град-¹.

Углерод — неметаллический элемент с плотностью 2,5 т/м³ и температурой .плавления 3500 °С. Углерод име­ет три аллотропические формы (уголь, графит и алмаз). В железоуглеродистых сплавах углерод присутствует (где он является вторым компонентом) или в виде графита, или в виде цементита Fc₃C (химическое соединение железа с углеродом).

Графит имеет незначительную прочность и слабо выраженные металлические свойства. В сплавах с железом он теряет свой металлический характер. Углерод рас­творяется в железе в жидком и твердом состояниях и образует а- и у-твердые растворы внедрения с ограниченной растворимостью.

В системе Fe—С (Fe — Fe₃C) различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение — цемен­тит, а также графит. Структурными составляющими мо­гут быть феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит и графит.

Феррит — твердый раствор внедрения углерода и других элементов в а-железе. Различают низкотемпературный а-феррит с растворимостью углерода в пределах 0,006 % при нормальной температуре, 0,025 % при 727°С и высокотемпературный б-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %. Феррит имеет кристаллическую решетку ОЦК, в центре которой расположен атом углерода. Температура 768 °С является точкой Кюри для феррита, то есть ниже этой температуры феррит магнитен, а выше — немагнитен. Феррит имеет пример­но следующие механические свойства: сг_в = 25 Н/см²; 6 = = 50%; -ф = 80 %; НВ 80.. .90. Под микроскопом феррит виден в виде светлых (полиэдрических) зерен.

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода и других элементов в у-железе. В зависимости от температуры в у-железе может раствориться от 0,8 (при 727°С) до 2,14% С (при 1147°С). Аустенит имеет кристаллическую решетку ГЦК, атомы углерода в которой расположены в центре граней куба. Твердость аустенита составляет до 220 НВ, он немагнитен. Микроструктура аустенита — полиэдрические зерна, характеризующиеся в отличие от феррита двойниками.

Цементит — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C). Углерода в цементите содержится 6,67 %. Цементит имеет твердость до 1000 НВ, хрупок, непластичен. Под микроскопом виден в форме блестящих включений (при травлении 2…5%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте). У цементита сложная ромбическая кристаллическая решетка с плотной упаковкой атомов. Карбид железа в стали и чугуне является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

Цементит в системе Fe — Fe₃C можно подразделить на пять видов: первичный, вторичный, третичный, эвтектоидный, эвтектический. Такое деление является условным, однако оно дает предпосылки к пониманию строения сплавов. Кристаллы первичного цементита выделяются из жидкого раствора. Вторичный цементит выделяется из аустенита в результате уменьшения содержания углерода с понижением температуры. Третичный цементит выделяется из феррита. Эвтсктоидпый цемен­тит является структурной составляющей перлита, а эв­тектический — ледебурита.

Перлит — механическая смесь, состоящая из цементита в ферритной основе, образуется в результате рас­пада аустенита при 727 °С. Содержание углерода в перлите составляет 0,8%. В зависимости от формы цементита перлит бывает пластинчатый и зернистый. Перлит является эвтектоидом. Эвтектоидом называют характер­ную равномерную пластинчатую или зернистую микро­смесь, подобную эвтектике, но в отличие от нее образующуюся не из жидкого сплава, а при превращении твер­дого раствора.

Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности (измельченность) частичек цементита. У пластинчатого перлита прочность несколько выше, чем у зернистого, а относительное удлинение ниже.

Ледебурит представляет собой эвтектику, состоящую из цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом в момент образования. Он образуется при затвердевании из жидкого расплава при 1147°С. При дальнейшем охлаждении аустенит превращается в перлит, следовательно, при нормальной температуре он состоит из перлита и цементита. Ледебурит отличается высокой твердостью (700 НВ) и хрупкостью.

Графит — одна из кристаллических разновидностей углерода, имеющая гексагональную решетку. Плотность графита 2,2 т/м³. Графит присутствует ,в структу­ре чугунов и лрафитизированных сталей. Форма его мо­жет быть пластинчатой, хлопьевидной или шаровидной. Наиболее благоприятна и желательна последняя форма.