«Строение и свойства компонентов, фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов» 1. Железоуглеродистые сплавы Железоуглеродистые сплавы ─ стали и чугуны ─ важнейшие металлические сплавы (93% всех конструкционных материалов) максимальное содержание углерода в сплавах – 6,67% В настоящее время на смену сталям идут другие сплавы: Ti, Al, Ni, Mg-вые и неметаллические материалы.Стали – это сплавы Fe–C с содержанием углерода от 0,025 до 2,14%. Чугун – сплавы Fe–C с содержанием углерода от 2,14 до 6,67%. Стали и чугуны ─ многокомпонентные сплавы, но основной элемент это углерод.
Д.К. Чернов дал первое представление о диаграмме Fe – C. 2. Компоненты железоуглеродистых сплавов Железо (Fe): №26 (Периодическая система элементов Д.И. Менделеева), атомная масса 55,58 атомный радиус 0,127 нм Чистое железо (химически чистое) содержит 99,999% Fe. Технически чистое железо содержит 99,8 – 99,9% Fe О чистоте железа судят по многим факторам (содержание% С, цветных металлов, других примесей). Температура плавления железа 1539º С. Известно три модификации железа: ( ─ Fe, ─ Fe, ─ Fe). Собственно железо ─ имеет одно кристаллическое строение; ─ высокотемпературная модификация, существует в интервале 1392─1539ºС; ― низкотемпературная модификация, существует ниже 911ºС; ─ существует в интервале 911 ─ 1392ºС Устойчивость определенной фазы диктуется более низкой свободной энергией. ─ Fe имеет ОЦК решетку; ─ Fe имеет ОЦК решетку; ─ Fe имеет ГЦК решетку.
Рисунок 1. Связь свободной энергии с типом кристаллической решетки железа -Fe ─период решетки 2,8606 ; до температуры 768ºС ─ ферромагнитно (магнитного). Точка перехода из ферромагнитного в парамагнитное состояние называют точкой Кюри (обозначают А2). Плотность железа: = 7,68 г./см3. Структура и ─ Fe: -Fe ─парамагнитно.
Зерна -Fe имеют ограненные края с наличием двойников: = 8,0–8,1 г/см3 I полиморфное превращение) обозначается А3=911ºС. Точка перехода в -Fe (II полиморфное превращение) обозначается А4=1392ºС. Рисунок 2. Кривая охлаждения чистого железа В железе существует металлический (межатомный) тип связи.
Железо является переходным металлом (не достроенная S – оболочка, достраивается d – оболочка). Углерод (С) имеет две модификации: графит и алмаз и может быть в аморфном состоянии.
Является неметаллическим (точнее полуметаллическим) материалом. Атомный номер N = 6, плотность = 2,5 г/см3, атомная масса 12,011, температура плавления 3500º С, атомный радиус 0,77 . Графит ─ имеет слоистую гексагональную решетку.Межатомное расстояние небольшое и составляет 1,4 ; расстояние между плоскостями 3,4 . В слоях действуют сильные ковалентные связи, а между слоями слабые силы Ван дер Ваальса. (В ковалентной связи силы равняются 700 кДж/г-атом. В силах Ван дер Ваальса ─ 4 9 кДж/г-атом). Рисунок 3. Силы связи в кристаллической решетке углерода Графит – мягок, обладает высокой электропроводностью, непрозрачен и имеет металлический блеск.
В алмазной модификации – существуют только ковалентные связи.Алмаз – самый твердый материал, по нему сравнивают другие элементы и твердые сплавы (в г. Алмазное производят углеродистую сажу). 3. Фазы в железоуглеродистых сплавах В системе Fe─C различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы внедрения, химическое соединения, чистые компоненты (графит). Твердые растворы: Феррит (Ф) ─ различают ─ Ф и ─ Ф ─ Ф ─ твердый раствор внедрения углерода в ─ Fe (высокотемпературном). Предельная растворимость углерода 0,1%. ─ Ф ─ твердый раствор внедрения углерода в ─ Fe (низкотемпературном). Предельная растворимость углерода 0,025% при температуре 727º С. При комнатной температуре феррит растворяет только 0,006% С. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29R (радиуса атома железа), а также в вакансиях, и дислокациях и т.д. Рисунок 4. Внедрение атома углерода в решетку феррита Аустенит (А) ─ твердый раствор внедрения углерода в ─ Fe. Предельная растворимость углерода ─ 2,14% при температуре 1147º С. Атом углерода в решетке ─ Fe располагается в центре элементарной ячейки в которой может поместиться сфера радиусом 0,41R. ГЦК решетка может растворить углерода больше, чем ОЦК. Рисунок 5. Внедрение атома углерода в решетку аустенита Механические свойства. Феррит: =250 н/мм2 (МПа) = 120 н/мм2 (МПа) =50%, = 80% НВ 80–90 Аустенит: обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Пояснения к определению механических свойств.
Данный вопрос рассматривался по дисциплине сопротивление материалов: Предел прочности: =Pмах/F0 (Н/мм2) Предел текучести: = Pt/F0 (Н/мм2) F0 ─ начальная площадь сечения образца (берут F0, т. к. в течении опыта в процессе деформации сечения изменяется). Относительное удлинение: = Относительное сужение:  = Твердость (НВ, HRC, HV)─ сопротивление металла небольшим пластическим деформациям.
Рисунок 6. Кристаллическая решетка цементита Цементит (Ц) ─ химическое соединение железа с углеродом ─ карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67% С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов (рис. 6). Температура плавления цементита ─ 1250º С. Магнитные свойства цементит теряет при 217ºС. Имеет высокую твердость: > 800НВ, но очень низкую, нулевую пластичность. Цементит ─ соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. 4. Структурные составляющие в железоуглеродистых сплавах Перлит (П) ─ механическая смесь двух фаз, образующихся из аустенита содержащего 0,81% С ниже температуры 727 ºС в результате эвтектоидного превращения: А0,81 % С Ф0,025 % С + Ц6,67 % С Перлит (эвтектоид) Перлит (на поверхности полированного и протравленного микрошлифа) имеет перламутровый цвет, переливается всеми цветами.
Перлит содержит 0,81% С. Структура перлита состоит из чередующихся пластинок Ц и Ф. Рисунок 7. Микроструктура перлита Специальной обработкой (термической) может быть получен зернистый перлит.
Перлит встречается в сталях и чугунах.
Ледебурит ─ механическая смесь двух фаз: аустенита и цементита, образующихся в результате эвтектического превращения жидкой фазы содержащей 4,32% С при 1147º С: Ж4,32 % С А2,14 % С + Ц(Fe3C)6.37 % С Ледебурит (эвтектика) Рисунок 8. Микроструктура ледебурита (сразу после эвтектического превращения) Ниже 727º С аустенит входящий в ледебурит испытывает эвтектоидное превращение, т.е. превращается в перлит.
Таким образом, в интервале температур: 1147º С – 727º С ─ Л (А+Ц); 727º С – tкомн º С ─ Л (П+Ц). Ледебурит назван в честь немецкого ученного ─ Ледебура.
Литература 1. Лахтин Ю.М Леонтьева В.П. Материаловедение.
М 1972, 1980. 2. Гуляев А.П. Металловедение.
М 1986. 3. Антикайн П.А. Металловедение. М 1972.