3. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

Железоуглеродистые сплавы являются основными конструкционными материалами практически всех стран мира. Масштабы их производства в значительной мере характеризуют технико-экономический уровень эволюции государства и служат материальной основой развития различных отраслей техники.

В общем случае железоуглеродистые сплавы подразделяются на две основные группы: стали и чугуны.

3.1. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fe₃C)

3.1.1. Общие положения

3.1.2. Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы Fe-Fe3C

3.1.1. Общие положения

Получение сплавов с заданными свойствами базируется, прежде всего на анализе системы «состав–структура–свойства» и ее изменении при воздействии внешних условий таких, как температура, давление, механические нагрузки и др. Впервые зависимость «состав–свойства» в виде диаграммы построил в 1819 г. Гей-Люссак, изучая растворимость солей в воде. С тех пор получены тысячи диаграмм «состав–свойства» с основной зависимостью температуры плавления (кристаллизации) от химического состава сплавов. Однако наиболее значимые для практики диаграммы состояний были разработаны гораздо позже.

Быстро расширяющееся производство чугунов и сталей во второй половине XIX в. поставило перед наукой и практикой ряд важных задач, связанных не только с проблемой получения металлов, но и с необходимостью обеспечить максимально высокое их качество. Для этого потребовалось глубоко изучить внутренние процессы, происходящие в литой стали при ее механической и тепловой (термической) обработке. Начало было положено трудами русских металлургов (П.П. Аносова, А.С. Лаврова, Н.В. Калакуцкого и др.) и ряда крупных зарубежных ученых. Их деятельность продолжил великий металлург Дмитрий Константинович Чернов, который явился основоположником новой отрасли науки – металлографии, учения о строении металлов и сплавов. Научные открытия, сделанные Д.К. Черновым, легли в основу ряда важнейших процессов получения и последующей обработки чугуна и особенно стали. Он графически представил закономерность в изменении структуры стали при нагревании (рис. 28). На прямой линии (термометрической шкале) он отметил несколько точек, соответствующих определенным температурам, при которых в структуре стали наблюдались изменения. Точки характеризуют превращения, происходящие в стали при определенных температурах во время нагревания или охлаждения. Эти превращения существенно изменяют структуру, а, соответственно, и свойства металла.

Рис. 28. Точки Д.К. Чернова

Открытые Д.К. Черновым точки дали возможность Х. Розенбому в 1900 г. разработать диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов (диаграмма «железо–углерод»). Эта классическая диаграмма (уточненная немецким ученым П. Геренсом) и по сей день имеет решающее значение при получении и обработке (особенно термической) сталей и чугунов.

Без этой диаграммы практически невозможно разобраться в тех процессах, которые происходят в железоуглеродистых сплавах при различных видах теплового воздействия. На ее основе устанавливаются наиболее рациональные режимы литья деталей, обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки), сварки и наплавки с последующей термической обработкой изделий.

Углерод в сплавах с железом образует карбид железа Fe₃C (цементит). Однако при определенных условиях (очень медленное охлаждение, длительная выдержка при высоких температурах, наличие специальных модификаторов и др.) он может выделяться в свободном состоянии в виде графита. Образование графита возможно также при распаде карбида железа. Таким образом, железоуглеродистые сплавы могут находиться в двух системах: система Fe-Fe₃C (железо–цементит) и система Fe-C (железо–углерод). В первой системе компонентами сплавов являются железо и карбид железа, а во второй – железо и графит.

Распад цементита, сопровождающийся выделением свободного углерода в виде графита, является процессом необратимым, так как при последующем нагреве цементит вновь не образуется. Следовательно, система Fe-Fe₃C, в которой возможен необратимый распад цементита, не является полностью равновесной. Такая система называется метастабильной. Система Fe-C, в которой нет необратимых процессов, называется равновесной или стабильной. Однако, во многих железоуглеродистых сплавах карбид железа очень устойчив не только в обычных условиях эксплуатации, но и при весьма значительном и длительном нагреве. Поэтому практически систему Fe-Fe₃C в большинстве случаев можно считать условно равновесной. Такая диаграмма используется при изучении сталей и белых чугунов, т.е. таких сплавов, в которых нет свободного углерода.

Рассмотрим диаграмму Fe-Fe₃C (железо–цементит), общий вид которой приведен на рис. 29.

Особенностью такой диаграммы является то, что концентрация углерода взята только до 6,67 %, что соответствует его содержанию в цементите (Fe₃C). Применяемые в практике железоуглеродистые сплавы содержат углерода не более 4…5 %, что меньше 6,67 %. Поэтому рассматривать диаграмму при содержании углерода более 6,67 % не имеет смысла.

Сплавы, содержащие углерода до 2,14 %, называются сталями, а более 2,14 % – чугунами.