Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

Железо и углерод — эле­менты полиморфные. Железо с температурой плавления 1539°С имеет две модификации - α и γ. Модификация Fe_α, существует при тем­пературах до 911°С и от 1392 до 1539°С, имеет ОЦК решетку с пери­одом 0,286 нм. Важной особенностью Fe_α является его ферромагнетизм ниже тем­пературы 768 С, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe_γ существует в интер­вале температур от 911 до 1392°С и имеет ГЦК решетку, период которой при 911°С равен 0,364 им. ГЦК решет­ка более компактна, чем ОЦК решетка. В связи с этим при переходе Fe_α в Fe_γ объем железа уменьшается приблизи­тельно на 1%.

Углерод существует в двух модифика­циях: графита и алмаза. При нор­мальных условиях стабилен графит, ал­маз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз.

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Феррит (обозначают Ф) - твердый раствор внедрения углерода в Fe_α. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низко­температурном феррите мала и составляет 0,02%, в высокотемпературном-0,1%. Столь низкая растворимость углерода в Fe_α обусловлена малым размером межатомных пор
в ОЦК решетке. Значительная доля ато­мов углерода вынуждена размещаться
в дефектах.

Аустенит (обозначают А) - твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ. Он имеет ГЦК решетку, межа­томные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому раствори­мость углерода в Fe_γ значительно боль­ше и достигает 2,14%. Аустенит пласти­чен, но прочнее феррита (НВ 1600-2000) при температуре 20-25 °С.

Цементит (обозначают Ц) - карбид железа Fe₃C. Содержит 6,69 %С и имеет сложную ром­бическую решетку. При нормальных ус­ловиях цементит тверд (НВ 8000) и хру­пок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210°С. Температуру плавления цементита труд­но определить в связи с его распадом при нагреве. Она установлена равной 1260°С при нагреве лазерным лучом.

Графит - углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свобод­ном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопро­чен, мягок.

Превращения в сплавах системы желе­зо-цементит

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C характеризует фа­зовый состав и превращения в системе железо - цементит (6,69 % С). Особен­ность диаграммы - наличие на оси со­ставов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в таблице. Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а точка D - температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам поли­морфных превращений железа. Точки H и Р характеризуют предельную кон­центрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпе­ратурном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

 

Обозначение точки на диаграмме	Температура, °С	Концентрация углерода, %
А Н J В N D Е С F G Р S К	1539 1499 1499 1499 1392 1260 1147 1147 1147	0,1 0,16 0,51 6,69 2,14 4,3 6,69 0,02 0,8 6,69

	Характерные точки диаграммы состояния железо-цемен­тит

 

Превращения в сплавах системы Fe-Fe₃C происходят как при затверде­вании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, опреде­ляемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кри­сталлизация вызвана превращением же­леза одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют измене­ние концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (двой­ная вертикальная линия DFKL). Цемен­тит, выделяющийся из жидкости, назы­вают первичным; цементит, выделяющийся из аустенита - вторичным; це­ментит, выделяющийся из феррита - третичным. Соответственно линию CD на диаграмме состояния называют ли­нией первичного цементита, ES- линией вторичного цементита; PQ-линией тре­тичного цементита. В системе железо - цементит происходят три изотермиче­ских превращения:

перитектическое превращение на ли­нии HJB (1499°С)

 

Ф_Н + Ж_В→A_J

 

эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °С)

 

Ж_С→ [А_E + Ц]

 

эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С)

 

А_S→ [Ф_Р + Ц]

 

Эвтектическая смесь аустенита и це­ментита называется ледебуритом, а эвтектоидная смесь феррита и цементи­та - перлитом.

Эвтектоид - перлит (содержит 0,8 %С) и эвтектику-ледебурит (4,3 %С) рассма­тривают как самостоятельные струк­турные составляющие, оказывающие за­метное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структур­ной составляющей. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при температуре 20-25°С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной соста­вляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердо­сти (> НВ 6000) и хрупкости. Присут­ствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обра­ботке давлением, затрудняет обработку резанием.

Железоуглеродистые сплавы подраз­деляют на две группы: стали, содержа­щие до 2,14%С, и чугуны.

Диаграмма состояния железо - легирующий элемент с открытой γ-областью

 

 

 

Влияние легирующих элементов на протяженность замкнутой γ-области

 

Углеродистые стали

На долю углеродистых сталей прихо­дится 80% от общего объема. Это объясняется тем, что эти стали дешевы и сочетают удовлетворительные меха­нические свойства с хорошей обрабаты­ваемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давле­нием они значительно превосходят ле­гированные стали. Однако углеродис­тые стали менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеро­дистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с ле­гированными сталями их следует подвергать отпуску при более низ­кой температуре, поэтому они сохра­няют более высокие закалочные напря­жения, снижающие конструкционную прочность.

Главный недостаток углеродистых сталей - небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термиче­ской обработкой. Крупные детали изго­товляют из сталей без термического упрочнения. По статической прочности углеродистые стали относятся преимущественно к сталям нормальной прочности. Углеродистые конструкцион­ные стали выпускают обыкновенного качества и качественные.

Легированные стали

Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. По ГОСТ 4543-71 принято обозначать хром - X, ни­кель - Н, марганец - Г, кремний-С, мо­либден-М, вольфрам-В, титан-Т, ва­надий-Ф, алюминий - Ю, медь-Д, нио­бий - Б, бор-Р, кобальт-К. Цифра, стоящая после буквы, указывает на при­мерное содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра отсут­ствует, то легирующего элемента мень­ше или около 1 %.

Две цифры в начале марки конструк­ционной легированной стали показы­вают содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20ХНЗА в среднем содержит 0,20%С, 1 % Сг и 3 % Ni. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. Особовысококачественные стали имеют в конце марки букву Ш.

Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки шарикоподшипниковых сталей начи­наются с буквы Ш, электротехниче­ских - с буквы Э, автоматных - с буквы А.