Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом.

Железо — пластичный металл серебристо-белого цвета с невысокой твердостью (НВ 80). Температура плавления — 1539°С, плотность 7, 83 г/см³. Имеет полиморфные модификации. С углеродом железо образует химическое соединение и твердые растворы.

Ферритом называется твердый раствор углерода в а- железе. Содержание углерода в феррите очень невелико — максимальное 0, 02% при температуре 727°С. Благодаря столь малому содержанию углерода свойства феррита совпадают со свойствами железа (низкая твердость и высокая пластичность). Твердый раствор углерода в высокотемпературной модификации Feα (т.е. в Feδ) часто называют δ - ферритом или высокотемпературным ферритом.

Рис. 8.1. Феррит

Аустенит — это твердый раствор углерода в γ - железе. Максимальное содержание углерода в аустените составляет 2, 14% (при температуре 1147°С). Имеет твердость НВ 220.Рис. 8.2. Аустенит

Рис. 8.2. Аустенит

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fe₃C. В нем содержится 6, 67 % углерода (по массе). Имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку. Характеризуется очень высокой твердостью (НВ 800), крайне низкой пластичностью и хрупкостью.

Рис. 8.3. Пластинчатый перлит

Рис. 8.4. Зернистый перлит

Перлит — это механическая смесь феррита с цементитом. Содержит 0, 8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита. Перлит является эвтектоидом.

Эвтектоид — это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4, 3% углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит, входящий в состав ледебурита превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.

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.

Диаграмма Fe-Fe₃C. На рис. 8.5 приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6, 67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температуры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6, 67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно международному стандарту и изменению не подлежит.

Рис. 8.5. Диаграмма состояния железо-углерод.

Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода делятся на техническое железо (до 0, 02% С), сталь (от 0, 02 до 2, 14 % С) и чугун (от 2, 14 до 6, 67% С). Сталь, содержащая до 0, 8% С называется доэвтектоидной, 0, 8% С — эвтектоидной и свыше 0, 8% С — заэвтектоидной. Чугун, содержащий от 2, 14 до 4, 3% С называется доэвтектическим, ровно 4, 3% — эвтектическим и от 4, 3 до 6, 67% С — заэвтектическим.

Структура техническою железа представляет собой зерна феррита или феррит с небольшим количеством третичного цементита. Обязательной структурной составляющей стали является перлит. Структура доэвтектоидной стали, состоит из равномерно распределенных зерен феррита и перлита. Эвтектоидная сталь состоит только из перлита. Структура заэвтектоидной стали представляет собой зерна перлита, окруженные сплошной или прерывистой сеткой вторичного цементита. Для чугуна характерно наличие ледебурита в структуре. Структура доэвтектического чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита, эвтектическою — из ледебурита и заэвтектического — из ледебурита и первичного цементита.

Значение диаграммы железо - цементит состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить режимы термической обработки для изменения свойств сталей.

Вопросы для самоконтроля.

1. Назовите компоненты, фазы и структурные составляющие диаграммы.

2. Что такое феррит, аустенит, перлит, ледебурит и цементит?

3.Расскажите свойства микроструктуру фаз и структурных составляющих диаграммы.

4. Напишите реакции превращений на диаграмме.

5. Что такое линии ликвидус и солидус диаграммы?

6. Расскажите процесс кристаллизации сплавов с различным содержанием углерода (< 0, 025; 0, 16; 0, 51; 0, 8; 1, 5; 2, 5 и 4, 3%).