Сплавы железа с углеродом.

Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — наибо­лее важные ме-таллические сплавы современной техники и наиболее производимые.

Максимальное содержание углерода в сплавах с железом составляет 6, 67%. Это значение соответствует содержанию уг­лерода в карбиде железа Fe₃C (цеме-нтит), который и будем рассматривать дальше как самостоятельный компонент. Диа­грамма состояния железоуглеродистых сплавов Fe - C (рис. 7.8) включает все сплавы (сталь, чугун), имеющие практическое значение, и может быть предста-влена в системе железо-угле­род (пунктирные линии) или железо-цементит (сплош-ные ли­нии). Рассмотрим диаграмму состояния системы железо — це­ментит.

Железо — металл серебристо-белого цвета, обладающий очень высокой пластичностью (относительное удлинение со­ставляет около 50%) при невысокой прочности (180-250) МПа. Температура плавления железа 1539°С. В твердом сос-тоянии железо может находиться в двух модификациях — (объемноцентри-рованный куб) и (гранецентрированный куб).

Цементит — это химическое соединение Fe₃C (карбид же­леза). Кристал-лическая решетка цементита очень сложна. Тем­пература плавления цементита око-ло 1250°С. Аллотропиче­ских превращений цементит не испытывает, но при низких температурах он слабо магнитен. Он имеет очень высокую твер­дость, соизмеримую с твердостью алмаза (НВ > 800), при этом его пластичность близка к нулю. Це-ментит — соедине­ние неустойчивое и при высоких температурах распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Помимо основных компонентов в структуре железоугле­родистых сплавов можно обнаружить следующие структур­ные составляющие:

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в -железо. Он обла-дает сравнительно невысокой твердостью НВ (65-130), пластичен ( = 40%), си-льно магнитен, хорошо проводит тепло, обладает хорошей электропроводностью.

Растворимость углерода в феррите очень мала и составля­ет при температуре 727°С всего 0, 025%, при комнатной тем­пературе она много ниже и составляет 0, 006%.Твердый ра­створ углерода в -железе носит название -феррит или высо­котемпературный феррит.

Рис. 7.8. Диаграмма состояния железоуглеродистых сталей.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода в -железе, имеет решетку гранецентрированного куба. Аустенит не магнитен, обладает относительно невы-сокой твердостью НВ (170-200). Максимальная растворимость углерода 2, 14% при температу­ре 1147°С. При температуре 727°С растворимость углерода сос-тавляет 0, 83 %.

Перлит (П) — механическая смесь, состоящая из очень тон­ких пластинок или зерен цементита и феррита. Образуется в ре­зультате распада аустенита при те-мпературе 727°С. Содержание углерода в перлите 0, 83%. Поскольку превраще-ние аустенита в перлит происходит в твердом состоянии, эта смесь называется эвте-ктоид (а не эвтектика, которая образуется при первичной кри­сталлизации). Элементар-ная кристаллическая ячейка перлита представляет собой композицию двух реше-ток — феррита и це­ментита, объединенных общими связями, поэтому свойства пер­лита будут представлять некую величину, лежащую между свой­ствами феррита и це-ментита. Так, твердость по Бринелю состав­ляет около 250 НВ, относительное уд-линение 5 = 12-15%.

Ледебурит — механическая смесь (эвтектика), образован­ная цементитом и аустенитом, содержащая 4, 3% при темпера­туре 727°С. В интервале темпера-тур от 1147 до 727°Следебу­рит состоит из аустенита и цементита, при температуре 727°С аустенит превращается в перлит. Ледебурит характеризуется вы­сокой твердо-стью (НВ = 700 МПа) и, следовательно, высокой прочностью, но в то же время пластичность его близка к нулю.

Точка А на диаграмме показывает температуру плавления чистого железа, точка D — температуру плавления цементита. Процесс кристаллизации распла-ва начинается по линии ABCD (линия ликвидус) и заканчивается на линии AHJ ECF (линия солидус). В температурном интервале кристаллизации существу­ют одно-временно две фазы — жидкий расплав и кристаллы из­быточного компонента по отношению к составу эвтектики.

Ниже линии солидус в затвердевших сплавах при пониже­нии температуры происходят дальнейшие изменения структу­ры. Это связано с аллотропическими превращениями железа и называется вторичной кристаллизацией. Сплавы с содер-жа­нием углерода до 2, 14% в области IV состоят из одного аусте­нита. При охла-ждении сплава на линии GS начинается образо­вание феррита, а на линии SE — вторичного цементита. Оста­ющийся при этом аустенит при температуре 727°С полностью распадается на феррит и цементит, образуя при этом механи­ческую смесь эвтектоидного состава (перлит).

Таким образом, сплавы с содержанием углерода до 0, 83% называются до-эвтектоидными и состоят при нормальной тем­пературе из феррита и перлита. Спла-вы с содержанием угле­рода 0, 83% называются эвтектоидными и состоят из пер-лита. Если концентрация углерода находится в пределах 0, 83% -2, 14%, сплав называют заэвтектоидным и его состав — пер­лит и цементит вторичный.

Рассмотрим превращения в сплавах содержанием углерода более 2, 14%. В точке С происходит одновременная кристалли­зация аустенита и цементита с образованием сплава эвтекти­ческого состава — ледебурита. При содержании углерода (2, 14 - 4, 3)% сплав называют доэвтектическим, и он состоит из це­ме-нтита вторичного, аустенита и ледебурита. При содержании С (4, 3 - 6, 67) % сплав называется заэвтектическим и со­стоит из цементита и ледебурита. Сплав с содержанием углеро­да до 2, 14% называется сталь, а больше 2, 14% — чугун.