Диаграмма состояния сплава железа с углеродом

Сплавы на основе железа и особенно железоуглеродистые спла­вы — стали и чугуна — продолжают оставаться важнейшими ма­териалами. Для правильного понимания природы свойств разно­образных марок современных сталей и чугунов, включая и специ­альные, так называемые легированные, стали, необходимо получить хорошее представление о диаграмме железо—углерод, разобрать­ся в отраженном на ней структурно-фазовом составе и открытых Д. К. Черновым критических температурных точках.

Диаграмма состояний железо — углерод. В настоящее время наибольшее практическое значение имеет приведенная на рис. 1.12

1.12. Диаграмма состояний Fe—С

диаграмма состояний Fe—С, на которой одной из важнейших фаз, влияющих на свойства сплавов, указан карбид железа Fe₃C или цементит. Анализ этой диаграммы показывает, что цементит ведет себя как самостоятельный компонент. Поэтому на диаграмме

даны две согласующиеся друг с другом шкалы концентраций: одна показывает содержание углерода, а другая — количество цементи­та в процентах. Напомним, что в цементите Fe₃C содержится 6,67 % углерода. Поэтому если левая ордината соответствует чи­стому железу, то правая — цементиту.

Железо может находиться в двух аллотропических формах, ко­торым соответствуют решетки ОЦК и ГЦК (см. рис. 1.4). Если чи­стое железо претерпевает аллотропическое превращение ОЦК >> ГЦК, т. е. α-Fe >> << γ-Fe при 911 °С, то при сплавлении с углеродом эта температура может снизиться вплоть до 727 °С (рис. 1.12, ли­ния PSK). Температура плавления железа составляет 1539 °С.

Второй компонент рассматриваемой системы сплавов — цемен­тит — имеет более сложную, чем у железа, кристаллическую решет-, ку и плавится при Т = 1250 °С.

Основными фазами и структурными составляющими данной си­стемы, от, которых зависят свойства сплавов и их поведение при на-гружении и нагреве, являются феррит [Ф], аустенит [А] и цемен­тит ГЦ ]. Аустенит — это фаза и различимая в микроскоп в виде зерен структурная составляющая, представляющая собой твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe.

В аустените в зависимости от температуры нагрева может раст­вориться до 2,14 % углерода (при Т = 1147 °С). Атомы растворен­ного в аустените углерода располагаются в центрах ячеек ГЦК.

Обычно аустенит существует при Т > 727 °С. При комнатной температуре он иногда в небольших количествах может сохранить­ся только в закаленной стали. Он очень пластичен (6 = 40 — 50 %), его твердость НВ составляет 1700—2000 МПа (170—200 кгс/мм²).

При Т = 727 °С аустенит может содержать только 0,8 % угле­рода (точка S на рис. 1.12; во всех точках на линии PSK аустенит также содержит 0,8 % углерода, находясь в равновесии с сопутст­вующим ему на участке PS ферритом, а на участке SK — цемен­титом).

Для понимания природы свойств равновесных сплавов разби­раемой системы при комнатной температуре наибольший интерес представляют феррит и цементит. Дело в том, что при Т < 727 °С, включая и комнатную, все сплавы, охватываемые диаграммой Fe—С (Fe—Fe₃C) от 0 % углерода (0 % Fe₃C) до 6,67 % углерода (100 % Fe₃C), состоят только из этих двух фаз, находящихся в них в разных количественных сочетаниях.

Легко проследить, что количество цементита в сплавах возра­стает от 0 до 100 % при 6,67 % углерода. В то же время количество феррита соответственно убывает от 100 % до 0. В связи с этим у сплавов будут возрастать свойства, привносимые цементитом, и снижаться характеристики, определяемые ферритом.

Твердость феррита зависит от фактического количества раство­ренного в нем углерода и может достигать 800 МПа (80 НВ). Фер­рит, входящий в состав реальной промышленной стали, благодаря неизбежно попадающим в нее при выплавке и растворяющимся в нем некоторым количествам кремния и марганца имеет более вы­сокую твердость, доходящую до 1000 МПа (100 НВ). Он очень пла­стичен, его относительное удлинение δ = 50 %. а поперечное су­жение ψ = 80 %.

Цементит является самой твердой и хрупкой фазой и структур­ной составляющей в рассматриваемом ряду сплавов. Его твердость максимальна (второе место после алмаза) и составляет 8000 МПа (800 НВ), а пластичность равна нулю, так как он способен только к небольшим упругим деформациям.

Теперь легко понять, что при увеличении в сплаве содержания углерода вследствие возрастания в нем количества твердого и хруп­кого цементита и соответственно уменьшения доли мягкого и пла­стичного феррита твердость и прочность сплава должны повышать­ся, а пластичность и вязкость — уменьшаться. При этом, посколь­ку в данном случае образуется механическая смесь этих двух фаз (Ф + Ц), свойства согласно закону Курнакова изменяются по линейному закону (см. рис. 1.11, а, в соответственно для смесей А + В и α + β)

Таким образом, представленные на диаграмме рис. 1.12 сплавы охватывают собой широкий и противоречивый диапазон механиче­ских свойств: высокие пластичность, вязкость; сравнительно не­большая твердость в левой части и огромная твердость с ничтожно малыми пластичностью и вязкостью — в правой.

Все помещенные на этой диаграмме сплавы принято делить на стали и чугуны. К сталям формально относятся сплавы, содержащие менее 2,14 % углерода, остальные сплавы причисляются к чугунам. Перечисленные ранее входящие в состав сталей и чугунов фазы (аустенит, феррит, цементит) могут находиться в них как отдель­ные структурные составляющие в виде зерен или мелких продолго­ватых включений. Они также образуют характерные структурные составляющие — механические смеси с некоторыми присущими им признаками — перлит и ледебурит.

Перлит представляет собой механическую смесь тонких пластинок цементита и находящихся между ними более толстых пластинок феррита. Он образуется при 727 °С из аустенита, содер­жащего 0,8 % углерода.

Аустенит, находящийся в любой части диаграммы состояний выше 727 °С (см. рис. 1.12), остывая и подходя к 727 °С, т. е. к линии PSK, приобретает концентрацию 0,8 % углерода. Распад происходит по формуле

А_0,8 727 С Ф_0,02 + Ц_6,67

(цифровые ин­дексы при фазах означают содержание в них углерода).

Перлит образуется как в сталях, так и в чугунах и играет важ­ную роль в формировании их свойств.

Ледебурит является механической смесью одновременно кристаллизующихся из жидкой фазы при постоянной, равной 1147 °С температуре зерен аустенита и цементита. Ледебурит содержит 4,3 % углерода. Поэтому, когда остывающая жидкая фаза при­ближается по температуре к линии ЕС (1147 °С), углерода в ней ока­зывается 4,3 % и она, затвердевая, превращается в хорошо переме­шанную смесь зерен цементита и аустенита по формуле

Ж_4,3 1147 ⁰С А_2,14 + Ц_6,67.

При дальнейшем охлаждении содержание углерода в аустените из-за уменьшения растворимости снижается по линии FS и при 727 °С (линия SK) достигает 0,8 %. Аустенит при этом превраща­ется в перлит и, таким образом, ледебурит становится смесью зер­нышек перлита и цементита. По описанной причине на диаграмме (рис. 1.12) ледебурит с аустенитом обозначен Л_А, а с перлитом — Лп. Ледебурит содержится только в чугунах и отсутствует в сталях.

Понятие о выплавке и формировании качества чугуна и стали. Реальные свойства сталей и чугунов в значительной степени зави­сят от неизбежно попадающих в них при выплавке других элемен­тов, которые могут или растворяться в феррите и цементите, или образовывать в сплавах твердые или газообразные неметалличе­ские включения. Во всех этих случаях особенно сильно изменяют­ся свойства сталей и надо четко себе представлять хотя бы схематич­но процесс выплавки стали.

Сущность выплавки стали из чугуна состоит в удалении из него путем окисления излишнего количества углерода до требуе­мого марочного уровня, а также примесных элементов, содержание которых ограничивается определенными пределами.

Фазовые превращения, рассмотренные выше на трех примерах диаграмм состояния, наблюдаются не только при переходе от жидкого состояния системы (рас­плава) к твердому, но и в пределах твердого состояния системы при ее охлаждении или, нагревании; в этом случае эти превращения также выражают диа­граммами.

Рассмотрим в качестве примера стальную часть технической диаграммы состояния железо — углерод. Сталью называют сплав Fe (99,975—98%) с С (0,025— 2%). В зависимости от аллотропии железа и количест­ва растворенного углерода различают отдельные струк­турные составляющие стали:

а) феррит — твердый раствор внедрения углерода
(не выше 0,1%) в α (β,δ)-Fe;

б) аустенит — твердый раствор внедрения углерода
(не свыше 2%) в γ-Fe;

в) цементит—очень твердое химическое соединение
железа с углеродом приблизительного состава Fe₃C
(~6,7%С);

г) перлит — эвтектикоподобный сплав феррита и це-
ментита, содержащий 0,8% С;

д) мартенсит — пересыщенный твердый раствор
внедрения углерода в α-Fe (основная составная часть
закаленной стали);

е) ледебурит—механическая смесь (эвтектика)
аустенита и цементита (4,3% С).

Области диаграммы (рис. 15) соответствуют следую­щим состояниям системы: I — жидкий расплав, II — со­существование расплава и кристаллов аустенита; III—твердое состояние в виде аустенита; IV —твердое состояние в виде смеси аустенита и феррита; V — твер­дое состояние в виде смеси аустенита и цементита; VI — твердое состояние в виде смеси феррита и пер­лита; VII—твердое состояние в виде смеси перлита и цементита.

Дата добавления: 2014-01-05