Лекция 5. Железоуглеродистые сплавы. Система железо - графит и железо - цементит.
Наибольшее распространение среди конструкционных материалов имеют сплавы железа с углеродом: стали и чугуны.
Конечно, промышленные стали и чугуны являются многокомпонентными сплавами и содержат кроме железа и углерода еще не один элемент в своем составе, но, именно, эти два компонента Fe и С являются основными структурообразующими элементами. Поэтому в первом приближении фазовый состав сталей и чугунов можно интерпретировать диаграммами состояния Fe-C или Fe-F3C.
Система железо-углерод тем уникальна, что она может быть описана двумя совершенно разными, автономно существующими диаграммами состояния:стабильной диаграммой Fe-C (железо - графит) и метастабильной диаграммой Fe-F3C (железо - цементит).
Хотя эти диаграммы описывают разные системы, их часто изображают нанесенными одна на другую, чтобы сравнить стабильное и метастабильное состояния. Пунктирные линии относятся к диаграмме стабильной системы, сплошные к метастабильной, в некоторых местах линии обеих систем совпадают.
Рассмотрим эти диаграммы, характеристики фаз, составляющих структуры железоуглеродистых сплавов и фазовые превращения, происходящие в системе при изменении температуры и концентрации компонентов.
Точки пересечения линий фазовых равновесий представлены в таблице 1.
Таблица 1. Координаты характеристических точек диаграмм Fe-C и Fe-Fe3C
| Точка | A | B | C/C’ | D/D’ | E/E’ | F/F’ | H |
| T, °С | 1147/1153 | 1260/3000 | 1147/1153 | 1147/1153 | |||
| С, % мас | 0,51 | 4,3/4,26 | 6,69/~100 | 2,14/2,04 | <6,69/~100 | 0,1 | |
| Точка | J | N | G | S/S’ | P/P’ | K/K’ | Q |
| T, °С | 727/738 | 727/738 | 727/738 | ||||
| С, % мас | 0,16 | 0,8/0,7 | 0,02 | <6,69/~100 | 0,008 |
Некоторые из точек диаграмм до сих пор не имеют достаточно достоверных координат, например точка F. Координаты и других точек постоянно уточняются и даже открываются новые линии. Так, сравнительно недавно было получено экспериментальное подтверждение, предположения акад. А.А. Байкова о существовании области гомогенности цементита. Показано, что цементит представляет собой твердый раствор вычитания и может существовать при значительном по сравнению со стехиометрией дефиците углерода
Линии ликвидуса диаграммы Fe-C – ABCD и диаграммы Fe-Fe3C – ABC’D’ отделяют жидкофазное состояние от других состояний, а линии солидуса: AHJECFD (AHJE’C’F’D) – отделяют твердофазные состояния.
Характеристика фаз железоуглеродистых сплавов
Стабильная и метастабильная системы железоуглеродистых сплавов образованы компонентами железом и углеродом, которые имеют полиморфные модификации:
-- a-Fe с ОЦК кристаллической решеткой, в кубической элементарной ячейке которой атомы располагаются по вершинам куба и в его геометрическом центре. Железо с ОЦК решеткой устойчиво в двух температурных интервалах до 911 °С и в интервале 1392-1539 °С, последнюю модификацию часто называют d-Fe, подчеркивая высокотемпературную область её существования;
-- g-Fe с ГЦК решеткой. Это тоже структура кубической сингонии, но в её элементарной ячейке центрирующие атомы расположены на каждой грани, а в объемном центре атом отсутствует. Железо с ГЦК решеткой существует в интервале температур 911-1392 °С.
Углерод тоже может существовать в двух полиморфных модификациях. В последние годы обнаружены ещё две модификации углерода – карбин и фуллерен.
Графит с гексагональной слоистой структурой. Атомы внутри слоя связаны между собой сильными ковалентными и частично металлическими связями. Между слоями связь осуществляется самыми слабыми молекулярными силами, поэтому твердость графита очень низка, а температура плавления, т.е. температура полной деструкции графита как фазы и разрушения её кристаллической структуры, достаточно высока >3000 °С. Графит в сплавах стабильной системы может присутствовать в фазовом составе в практически чистом виде;
Вторая модификация углерода – алмаз имеет кубическую гранецентрированную решетку с дополнительными атомами внутри элементарной ячейки. Атомы в решетке алмаза связаны прочными ковалентными связями, что и определяет высокую твердость этой модификации углерода. Хотя экспериментально в реальных железоуглеродистых сплавах алмаз не обнаружен, считается, что метастабильная система Fe-F3C является частью системы железо-алмаз.