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 – 1539º С, 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 3500º С. С углеродом железо образует химические соединения и твёрдые растворы внедрения.

Химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fe₃C носит название цементит. В нём содержится 6,67% углерода (по массе). Цементит имеет сложную ромбическую кристаллическую решётку, характеризуется очень высокой твёрдостью (НВ800), хрупкостью крайне и низкой пластичностью. Температура плавления зависит от его состава (хром, молибден и др.) и находится в широком диапазоне 1250…1600º С.

Твёрдый раствор углерода в α-железе называют ферритом. Содержание углерода в феррите очень невелико – максимальное – 0,02% при температуре 727ºС (рис.2.2). При комнатной температуре углерода в феррите содержится не более 0,006%. 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…1539º С, также называется ферритом или высокотемпературным ферритом (δ-ферритом). Он характеризуется максимальной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499ºС.

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

Механическую смесь феррита с цементитом называют перлитом. Он содержит 0,8% углерода и образуется из аустенита при температуре 727º С и 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 пластинчатого, имеет меньшую твёрдость.

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

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