Структурные составляющие системы железо-углерод

Твердые растворы внедрения углерода и других примесей в a-железе называют ферритом, а в g-железе – аустенитом.

Феррит получил свое название от латинского наименования железа – «Ferrum». Различают низкотемпературный a-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный d-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %. Атом углерода в решетке феррита располагается в центре объема куба. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен. Твердость и механические свойства феррита близки к таковым технически чистого железа (s_в = 250 МПа, s_0,2 = 120 МПа, d = 50 %, y = 80 %, НВ 80 – 90 кгс/мм² или 800 – 900 МПа), они зависят от количества элементов, присутствующих в нем (многие химические элементы образуют с ферритом твердые растворы замещения). Микроструктура феррита представлена на рис.2

Рис.2 Микроструктура феррита

Аустенит был назван так в честь английского ученого Роберта Аустена, который занимался исследованиями структуры составляющих системы железо - углерод и разработкой вариантов ее диаграммы состояния. Атом углерода в решетке g-железа располагается в центре элементарной ячейки (рис. 3,б).

а б

Рис.3. Кристаллическая решетка феррита (а) и аустенита (б)

Аустенит – парамагнитен, высокопластичен (НВ = 170 – 220 кгс/мм² или 1700 – 2200 МПа), имеет низкие механические характеристики, такие как пределы текучести и Аустенит – парамагнитен, высокопластичен (НВ = 170 – 220 кгс/мм² или 1700 – 2200 МПа), имеет низкие механические характеристики, такие как пределы текучести и прочности. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна (рис.4).

Рис.4 Микроструктура аустенита

Железо и углерод, взаимодействуя друг с другом, могут образовывать ряд металлических карбидов с различными химическими формулами: Fе₃С, Fе₂С, FеС и другие. Наиболее распространенным и широко применяемым из них является карбид железа среднего состава Fе₃С – цементит. Стехиометрическое соотношение элементов в нем соответственно равно 3 : 1. Содержание углерода составляет 6,67 % масс.

Кристаллическая решетка карбида железа очень сложная. Она представляет собой орторомбическую структуру с плотной упаковкой атомов (в элементарной ячейке расположено 12 атомов железа и 4 углерода). Характер связи между атомами железа чисто металлический, а между железом и углеродом ионно-металлический с преобладанием металличности. Такое строение приводит к тому, что он проявляет металлические признаки: блеск, высокая электропроводность, уменьшающаяся с повышением температуры, легкость образования твердых растворов с металлами.

Данное соединение обладает высокой твердостью, сравнимой только с алмазом, он легко царапает стекло (НВ более 800 кгс/мм²), но чрезвычайно низкой практически нулевой пластичностью (большой хрупкостью), значительной жаропрочностью и обычно более высокой температурой плавления, чем исходный металл.

Кроме перечисленных фаз, в структуре сплавов железа с углеродом присутствуют две структурные составляющие: эвтектика и эвтектоид.

В системе железо – углерод эвтектика содержит 4,3 % С и кристаллизуется при температуре 1147ºC. Она представляет собой смесь кристаллов аустенита и цементита и называется ледебурит (в честь австрийского ученого-металлурга Ледебура).

Л = А + Ц.

Ледебурит - образуется в процессе эвтектического превращения по реакции

Ж = g + Fe₃C

По своей структуре он представляет собой чередующиеся пластинки аустенита и цементита. При температурах ниже 727°С аустенит в этой смеси изотермически превращается в перлит. Ледебурит такого состава называется низкотемпературным. Микроструктура ледебурита представлена на рис.5.

Рис.5 Микроструктура ледебурита

Перлит –смесь пластин феррита и цементита образующаяся при 727°С. по реакции

А= a + Fe₃C,

Он имеет перламутровый цвет (отсюда и название), концентрация углерода в нем -0,8 % масс. Структура его также как и ледебурита состоит из следующих друг за другом пластинок феррита и цементита.

Перлит имеет наиболее удачное сочетание механических свойств из всех равновесных структур в сплавах железа с углеродом. В нем мягкие, вязкие пластины феррита чередуются с прочными, твердыми, жесткими пластинами цементита: П = Ф + Ц (рис. 6). Такая структура хорошо сопротивляется самым разным механическим нагрузкам, обладает высокой прочностью и достаточной вязкостью. Твердость перлита составляет 180-220 HB, в зависимости от размера зерна.

Рис.6 Микроструктура перлита и цементита вторичного.

1.3 Диаграмма состояния железо – цементит

Диаграмму системы железо-углерод можно проанализировать только до образования в ней карбида железа - Fе₃С – концентрация углерода 6,67 %. Это связано с тем, что наибольшее практическое значение имеет только часть диаграммы состояния железо-углерод, в которой показано формирование цементита, так как сплавы, содержащие большее количество углерода, очень хрупкие и практически не применяются в промышленности. Поэтому диаграмму состояния системы железо-углерод изображают только до концентрации углерода 6,67 % масс и называют диаграммой состояний железо-цементит (рис.7).

Рис. 7. Диаграмма железо-углерод

Кривая АВСD - линия ликвидус, которая на участке АВ соответствует температурам начала выпадения кристаллов феррита (a), а на участке ВС соответствует температурам начала выпадения кристаллов аустенита (g) из жидкого сплава (L). В области СD – она представляет геометрическое место точек, отвечающих температурам начала кристаллизации первичного цементита (Fe₃С_I) из жидкой фазы (L).

Линия АHJЕСFD - солидус, криволинейный участок АHJЕ которой, определяет окончание затвердевания жидкой фазы.

На горизонтальной линии HJВ происходит нонвариантная реакция с участием трех фаз образования аустенита из жидкости и феррита.

L_B + a_H ® g_j

Горизонтальный участок ECF является геометрическим местом точек, соответствующих также концу кристаллизации аустенита (ЕС) и первичного цементита - Fe₃C_I (CF), и одновременно отвечает температурам изотермического превращения жидкого сплава состава точки С в двухфазную эвтектику – ледебурит.

L_C ® g_Е + Fe₃C_F.

Данная реакция наблюдается только у сплавов с содержанием углерода более 2,14 % масс.

На горизонтальной линии PSK происходит нонвариантная реакция с участием трех фаз образования перлита из аустенита.

g_S ® a_{P +}Fe₃C_K

Линии NH и NJ отражают начало и конец полиморфного превращения аустенита и d-феррита, а линии GS и GP соответственно начало и конец полиморфного превращения аустенита и a-феррита.

Кривые DC, ES и PQ показывают на ограничение максимальной растворимости углерода в фазовых составляющих железоуглеродистых сплавов. Эти линии определяют максимальную растворимость углерода в той фазе, которая расположена на диаграмме левее данной кривой. Это значит, что DC характеризует предельную концентрацию углерода в жидкости; ES в аустените g; PQ в феррите a. При понижении температуры системы меньше точек растворимости углерода из фазы, находящейся слева от соответствующей им кривой, выделяется избыток углерода, образуя цементит первичный, вторичный и третичный соответственно.

Диаграмму состояния Fе - Fе₃С по оси абсцисс – концентрация углерода – делят на следующие участки:

0 - 0,02 % (точка Р)- технически чистое железо;

0,02 - 0,80 % (отрезок PS) - доэвтектоидные стали;

0,80 % (точка S) - эвтектоиднаясталь;

0,80 - 2,14 % - заэвтектоидные стали;

2,14 - 4,31 % (отрезок EC) - доэвтектические чугуны;

4,31 % (точка С) - эвтектический чугун;

4,31 - 6,67 % (отрезок CF) - заэвтектические чугуны.

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %, называют сталями. Они после затвердевания не содержат хрупкой структурной составляющей - ледебурита и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т. e. являются ковкими сплавами.