Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

Fе и C – элементы полиморфные. Углерод существует в двух модификациях – графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит. Алмаз – метастабильная модификация. Железо также существует в 2-х модификациях - Fеα и Fеγ (табл.6.8).

Фазы в сплавах железо-углерод представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит, свободный углерод в виде графита.

 

 

Табл.6.8

Некоторые свойства модификаций железа

  Fеα Fеγ
tº существования до 911ºС от 1392º до 1539ºС от 911º до 1392ºС
решетка ОЦК (менее компактная) ГЦК (более компактная)
Период решетки 0,286нм (при t=20-25ºС) 0,364нм (при 911ºС)
Магнитные свойства Ферромагнетизм ниже t=768º парамагнетизм
Объем при переходе Fеα→ Fеγ Обьем Fе уменьшается ~ на 1%  

 

Феррит (Ф или α) - твердый раствор внедрения С в Fеα.. Существует низкотемпературная и высокотемпературная модификации. Низкотемпературный феррит растворяет менее 0,02% углерода, в то время как высокотемпературный феррит растворяет до 0,1% углерода. Из-за малого размера межатомных пор в ОЦК-решетке, углерод располагается в дефектах (вакансиях, дислокациях). Свойства : σв = 300МПа, δ = 40%, ψ = 70%, KCU = 2,5МДж/м2, твердость – НВ 80-100, пластичен.

Аустенит (А или γ) - твердый раствор внедрения углерода в Fеγ. ГЦК – решетка. Большой размер межатомных пор, следовательно - большая растворимость углерода (до 2,14%). Свойства те же, твердость выше – НВ 160-200; пластичен, но прочнее феррита.

Цементит (Ц) – карбид железа (почти постоянного состава) Fе3С, 6,69% углерода, сложная ромбическая решетка, 800НВ, хрупок, слабоферромагнитен.

Графит – углерод, выделяющийся в Fе-С – сплавах в свободном состоянии. Гексагональная кристаллическая решетка. Электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.

Превращения в сплавах Fе-Fе3С происходят как при затвердевании, так и в твёрдом состоянии.

Первичная кристаллизация идёт в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (АВСД) и солидус (АНGECF) (рис.6.8). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените (g) и феррите (a). При понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твёрдых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации С в аустените и феррите, соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (линия DFKL). Выделяющийся из жидкости цементит (линия СD) называется первичным, из аустенита - вторичным (ES), из феррита - третичным (линия PQ).

Табл.6.8.1.

Характерные точки диаграммы состояния Fе-Fе3С

точки t°, С С,%  
А D Н Y B N D E C F G P S K 6,69 0,1 0,16 0,51 6,69 2,14 4,3 6,69 0,02 0,8 6,69 t° плавления чистого Fе t° плавления цементита предельная концентрация С в высокотемпературном Ф     t°полиморфного превращения Fе   наивысшая концентрация С в А     t°полиморфного превращения Fе предельная концентрация С в низкотемпературном Ф

В системе Fе-Fе3С происходят 3 изотермических превращения:

- перитектическое (линия HGB, t°= 1499°С)

ФН + ЖВ ®АJ

- эвтектическое ( линия ECF, 1147°С)

Жс ® [АЕ + ЦF] (ледебурит, 4,3%С)

- эвтектоидное (линия PSK, 727°С)

AS ® [ФР + ЦК] (перлит 0,8%С)

Эвтектоид - перлит и эвтектику - ледебурит рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов.

Перлит имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: временное сопротивление σв = 800-900МПа, условный предел текучести σ0,2 = 450МПа, относительное удлинение δ £ 16%, твердость - 180-220 НВ (рис. 6.10; 6.11).

Ледебурит. При охлаждении по линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит и при 20-25оС ледебурит - это смесь перлита и цементита. Цементит образует сплошную матрицу, в которой располагаются колонии перлита (рис. 6.13 б). Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (>600НВ) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обуславливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Рис. 6.10. Схема образования и роста зерен перлита

I – аустенит; II – образование зародыша Fe3C на границе зерна аустенита;

III – образование пластин феррита; IV - VI – рост и образование новых пластин

Fe3C и феррита

 

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали и чугуны.

Микроструктура сталей показана на рис. 6.11: А – доэвтектоидная, Б – эвтектоидная, В – заэвтектоидная. Микроструктура технически чистого железа показана на рисунке 6.12: А – концентрация углерода <0.006%, Б – концентрация углерода 0.01%. Образующийся цементит, располагающийся в виде прослоек по границам ферритных зерен, ухудшает технологичную пластичность.

 

 

Рис. 6.11. Микроструктура сталей

А) доэвтектоидная х 300, б) эвтектоидная х 1000, в) заэвтектоидная х 300

 

 

 

Рис. 6.12. Микроструктура технически чистого железа

Цементит располагается в виде сетки по границам ферритных зерен

а) меньше 0,006% С х 300; б) 0,01% С х 300

 

Микроструктура чугунов (а – доэвтектических и в – заэвтектических) показана на рис.6.13. В доэвтектических белых чугунах сначала кристаллизуется аустенит, затем – эвтектика – ледебурит. При охлаждении чугуна в интервале температур 1147-727°С аустенит обедняется углеродом и образуется вторичный цементит. При температуре ниже 727°С аустенит превращается в перлит. Вторичный цементит, образовавшийся по границам зерен аустенита сливается с цементитом ледебурита. Крупные тёмные поля на фоне ледебурита – перлит, образовавшийся из структурно – свободного аустенита, в ледебурите видны тёмные участки перлита. В заэвтектическом чугуне резко выделяются крупные пластинки первичного цементита.

 

Рис. 6.13. Микроструктура белых чугунов (слева – схематическое изображение)

А) доэвтектический, б) эвтектический, в) заэвтектический