Железоуглеродистые сплавы (структурный и фазовый составы)

К железоуглеродистым относятся сплавы, основными компонентами кото­рых являются железо и углерод. Железо обладает температурным полиморфиз­мом и может существовать в двух аллотропических модификациях: в виде a-железа с ОЦК и g-железа с ГЦК кристаллическими решетками. С углеродом железо образует твердые растворы и химическое соединение. Твердый раствор внедрения углерода в a-железе называется ферритом. Растворимость углерода в нем очень мала (максимум 0, 02 % при температуре 727°С). Феррит обладает низкой твердостью и высокой пластичностью.

Твердый раствор внедрения углерода в g-железе называется аустенитом. Мак­симум растворимости углерода в аустените 2, 14% (при температуре 1147°С). В рав­новесном состоянии аустенит существует лишь выше 727⁰ С. Он обладает высо­кой пластичностью и низкой твердостью.

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe₃C, называемое це­ментитом. Цементит очень тверд и хрупок.

Железоуглеродистые сплавы с концентрацией углерода, не превышающей 2, 14 %, называют сталями, с более высокой - чугунами. Кристаллизация сталей завершается на линии AHIE диаграммы Fe-Fe₃C. На линии HIB протекает перитектическая реакция.

По равновесной структуре стали в зависимости от содержания углерода подраз­деляют на техническое железо (С < 0, 02 %), доэвтектоидные (0, 02 < С < 0, 8 %), эвтектоидные (С = 0, 8 %) и заэвтектоидные стали (0, 8 < С < 2, 14 %).

В структуре технического железа присутствуют феррит и третичный цемен­тит, выделяющийся при охлаждении сплава ниже 727°С из феррита.

Структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. Перлит -это эвтектоид - механическая смесь феррита и цементита, образующаяся в резуль­тате эвтектоидной реакции из аустенита при охлаждении сплавов ниже 727°С (ли­нии PSK диаграммы Fe-Fe₃C). Перлит содержит 0, 8 % углерода. По относитель­ному количеству перлита можно судить о содержании углерода в сплаве. Для этого достаточно перемножить долю видимой на микрошлифе площади, занятой перлитом, на 0, 8.

Эвтектоидная сталь содержит 0, 8 % углерода. Структура ее полностью со­стоит из перлита.

В структуре заэвтектоидной стали содержатся перлит и вторичный цементит, выделяющийся при охлаждении сплава в интервале температур 1147... 727°С из аустенита в соответствии с линией предельной растворимости SE диаграммы Fe-Fe₃C.

Чугуны в системе Fe-Fe₃C называют белыми. Эти сплавы содержат углерод исключительно в химически связанном состоянии в виде Fe₃C.

Кристаллизация белых чугунов завершается эвтектическим превращением при температуре ниже 1147°С (линия ECF диаграммы Fe-Fe₃C) с образованием эвтектики, называемой ледебуритом и представляющей собой механическую смесь аустенита и цементита. При охлаждении ниже 727°С аустенит претерпева­ет эвтектоидное превращение и ледебурит становится смесью перлита и цементита.

По равновесной структуре белые чугуны подразделяют на доэвтектичекие, эвтектические и заэвтектические.

Содержание углерода в доэвтектическом чугуне может находиться в преде­лах 2, 14... 4, 3%. Структура его состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита.

Эвтектический чугун содержит 4, 3% углерода. Структура его состоит пол­ностью из ледебурита.

В заэвтектическом чугуне содержится более 4, 3% углерода (до 6, 67%). Его структура состоит из первичного цементита, выделившегося из жидкости, и леде­бурита.

Чугуны со структурно свободным углеродом в зависимости от геометриче­ской формы графитных включений называют: серыми (графит пластинчатой формы), ковкими (графит хлопьевидной формы), высокопрочными (графит ша­ровидной формы). Металлическая основа чугунов может быть ферритной, фер-ритно-перлитной и перлитной. В ферритных чугунах (чугунах с ферритной ме­таллической основой) нет углерода, связанного в Fe₃C. В перлитных - 0, 8% уг­лерода связано в цементит. При одинаковой металлической основе механические свойства чугунов возрастают от серого к высокопрочному.

Серые чугуны получают при охлаждении отливок с обычными скоростями, характерными для песчаных форм (при больших скоростях получают белый чу­гун). Маркируют серые чугуны буквами СЧ и числом, обозначающем временное сопротивление s_В, в кг/мм² (в десятых долях МН/м²).

Ковкие чугуны получают путем длительного графитизирующего отжига бе­лых чугунов. Маркируют ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, первое из которых - s_в в кг/мм², второе - относительное удлинение d в %.

Высокопрочные чугуны получают путем модифицирования жидкого сплава магнием или церием. Маркируют чугуны буквами ВЧ и числом, обозначающим s_в в кг/мм².