Фазы, структурные составляющие, их строение и свойства

Фазовая составляющая, или фаза, – это гом огенная часть системы определенного состава и агрегатного состояния, отделенная от остальных частей системы поверхностями раздела.

В отличие от фазовой составляющей, структурная составляющая – это гомогенная или квазигомогенная часть системы, состоящая из одной или нескольких фаз, имеющая во всем объеме этой составляющей одинаковый средний химический состав и регулярное строение, обусловленное особенностями механизмов ее образования. К фазовым составляющим в системе железо–углерод относятся: жидкий раствор (L), твердые растворы: феррит (α), аустенит (γ), высокотемпературный феррит (δ), а также цементит и графит (Г).

Жидкий раствор в системе железо–углерод представляет собой раствор углерода в расплавленном железе. При температурах значительно выше линии ликвидус (преимущественно выше 1700 °С) жидкость является статистически неупорядоченным раствором со статистически плотной упаковкой.

При небольшом перегреве выше линии ликвидус жидкий раствор имеет сравнительно регулярное строение. Жидкий раствор, образовавшийся при плавлении δ-феррита (до 0,51 % С), сохраняет ближний порядок по ОЦК-решетке δ-железа. Жидкий раствор, образующийся при плавлении аустенита, имеет ближний порядок, соответствующий ГЦК -решетке γ-железа.

Феррит – это твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Решетка феррита – объемно-центрированный куб с расположением атомов углерода в сравнительно небольших октаэдрических пустотах решетки (рис. 4.4), сильно искажая ее. Растворимость углерода в феррите невелика. При температуре 727°С в феррите растворяется 0,02 % С; при понижении температуры растворимость уменьшается, достигая величины 0,006 % С при комнатной температуре.

Рис. 4.4. Позиции ионов углерода С⁴⁺ в октаэдрических пустотах ОЦК-решетки.

Рис. 4.5. Позиции ионов углерода С⁴⁺ в октаэдрических пустотах ГЦК-решетки γ-железа.

Структура феррита представляет собой сравнительно равноосные полиэдрические кристаллы, разделенные между собой тонкими высокоугловыми границами. Выявляется обычно структура феррита при травлении растворами азотной кислоты.

Феррит до температуры точки Кюри (770°С) сильно ферромагнитен, хорошо проводит тепло и электрический ток. В равновесном состоянии феррит пластичен (относительное удлинение порядка 40 %), имеет небольшую прочность и твердость (HB = 65–130, в зависимости от величины зерна).

Феррит, в зависимости от характера протекающих фазовых превращений, в структуре железоуглеродистых сплавов может находиться в виде различных структурных состояний: феррит как основа структуры сплава (Ф); феррит как вторая (избыточная) фаза, располагающаяся по границам перлитных колоний, в виде отдельных включений равноосной или игольчатой формы; феррит, входящий в качестве фазы в состав другой структурной составляющей – перлита или феррито-графитного эвтектоида.

При температурах выше критической точки А₄ стабильной становится модификация высокотемпературного δ-феррита, имеющего, как и низкотемпературный α-феррит, объемно-центрированную кубическую решетку, но с большими по сравнению с ним параметрами, δ-феррит парамагнитен.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Решетка аустенита – гранецентрированный куб (ГЦК). Атомы углерода располагаются в крупных октаэдрических пустотах решетки (рис. 4.5).

Растворимость углерода в аустените значительно больше, чем в феррите: 2,03 и 2,14 % при температурах эвтектического превращения, соответственно, в стабильной и метастабильной системе. При понижении температуры растворимость уменьшается до 0,69 и 0,80 % в упомянутых системах, что соответствует температурам эвтектоидного превращения в той и другой системах.

Аустенит в структуре выявляется так же, как и феррит, в виде сравнительно равноосных полиэдров, но отличается от него значительным количеством двойников в теле зерна. Аустенит – парамагнитная составляющая во всем температурном интервале его существования. Аустенит мягок, хотя тверже феррита (HB = 200–250). Он пластичен (относительное удлинение 40–50 % и выше). Превращение феррита и феррито-цементитной смеси в аустенит сопровождается уменьшением объема.

Структурное состояние аустенита (А) в железоуглеродистых сплавах аналогично ферриту: он может быть единственной структурной составляющей в сплаве; составлять основу сплава; входить в него как остаточный аустенит; содержаться в виде фазовой составляющей в составе более сложной структурной составляющей – эвтектической аустенито-цементитной смеси (ледебурита), существующей при температурах выше эвтектоидной линии на диаграмме железо–углерод.

Цементит – метастабильное соединение железа с углеродом, соответствующее формуле Fe₃C. Цементит имеет сложную орторомбическую решетку (рис. 4.6), основа которой представляет собой трехгранную, слегка искаженную призму, образованную шестью атомами железа.

Часть атомов железа имеет 11 соседних атомов железа, а часть – 12. Пустоты заполняются атомами углерода. В этом структура цементита близка по своему строению к структуре аустенита, а также к плотнейшей гексагональной модификации ε-железа.

Цементит – соединение практически постоянного состава. Растворимость железа в цементите имеет место, но ее величина очень мала и практически незначима. Цементит при повышении температуры сравнительно легко разлагается на железо (аустенит или феррит) и графит. Это свойство цементита лежит в основе явления графитизации и используется для получения серых и ковких чугунов. Цементит хрупок, очень тверд (НВ около 800), слабо магнитен до температуры 210°С. Выше этой температуры цементит парамагнитен.

Рис. 4.6. Позиции ионов углерода и железа в структуре цементита.

Структурное состояние цементита определяется в основном типом превращения, при котором он образуется. Различают первичный цементит (Ц_I), который представляет собой крупные игольчатые кристаллы, образующиеся при кристаллизации непосредственно из жидкости в заэвтектическом белом чугуне. Вторичный цементит (Ц_II) выделяется в заэвтектоидных сталях и доэвтектических чугунах в основном в виде сетки по границам зерен аустенита, а также в ряде случаев в виде равномерно распределенных по объему аустенитного зерна скогулированных частиц или игл. Вторичный цементит – это избыточная фаза в железоуглеродистых сплавах, выделяющаяся из аустенита при охлаждении в результате уменьшения растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

Выделение третичного цементита (Ц_III) характерно для технического железа и малоуглеродистой стали. Выделяется третичный цементит из феррита в результате уменьшения растворимости углерода в феррите с понижением температуры от 727°С до комнатной температуры. Третичный цементит в структуре железа и малоуглеродистой стали наблюдается в виде тонких прожилок по границам зерен феррита. Такие выделения третичного цементита охрупчивают железо и малоуглеродистые стали. Поэтому такие сплавы подвергают термической обработке с целью изменения структурного состояния третичного цементита. Желательное его положение в структуре сплава –равномерно рассредоточенные выделения в объеме ферритных зерен. Этого добиваются путем закалки и последующего старения.

Кроме того, цементит в качестве фазовой составляющей входит в состав сложных двухфазных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах – перлита и ледебурита. В этом случае такой цементит называют эвтектоидным или эвтектическим (Цэ) соответственно.

Графит – важнейшая фазовая и структурная составляющая (Г) серых и ковких чугунов, обусловливающая их малую усадку при кристаллизации, высокие антифрикционные свойства, малую изнашиваемость, большое внутреннее трение, обеспечивающее уменьшение вибраций, и ряд других полезных свойств. Графит – гексагональная модификация углерода. При нормальном давлении графит является стабильной составляющей до температур около 4 000 °С.

В решетке графита атомы расположены слоями с гексагональной симметрией (рис. 4.7). В первом и третьем слоях атомы расположены друг над другом. Во втором (среднем) слое атомы сдвинуты вдоль наибольшей диагонали шестигранника на величину параметра решетки (длину стороны шестигранника). Расстояние между слоями (3,35 кХ) значительно больше, чем расстояния между соседними атомами в гексагональном слое. Из-за легкой подвижности слабо связанных гексагональных слоев графит является наименее прочной фазой железоуглеродистых сплавов.

Рис. 4.7. Расположение атомов углерода в слоистой гексагональной решетке графиа: сплошные линии – расположение атомов и связей в 1-м и 3-м гексагональных слоях, штриховые – в среднем, 2-м слое.

Графит в структуре железоуглеродистых сплавов находится либо в виде избыточной фазы (в заэвтектическом сером чугуне), либо в качестве фазовой составляющей, входящей в состав аустенито-графитной эвтектики. Графит имеет форму разветвленных крабовидных включений. Эвтектический графит отличается от первичного меньшими размерами и большей разветвленностью.

После модифицирования жидкого чугуна магнием и некоторыми другими элементами, а также после отжига белого чугуна на ковкий в структуре можно наблюдать глобулярный графит. Эта форма графита обеспечивает получение повышенной прочности и пластичности чугуна.

Все описанные фазовые составляющие могут одновременно быть и структурными составляющими, если они в структуре сплава находятся в виде избыточных фаз или составляют основу структуры сплава.

Кроме однофазных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах имеют место и сложные двухфазные: перлит, ледебурит, графито-аустенитная эвтектика и феррито-графитный эвтектоид.

Перлит – это эвтектоидная физико-химическая смесь двух фаз: феррита и цементита, образовавшаяся в метастабильной системе железо–углерод за счет диффузионного расслоения аустенита по эвтектоидной реакции. Перлит образуется при переохлаждении аустенита ниже линии PSK диаграммы железо–углерод. Строение перлита определяется величиной переохлаждения, при котором происходит распад.

При малом переохлаждении (на 20–30°С ниже линии эвтектоидного превращения) образуется зернистый перлит. Зернистый перлит представляет собой феррито-цементитную структуру, в которой основой является феррит, а по его объему статистически равномерно распределены зернистые, близкие к сферическим, включения цементита.

При большем переохлаждении образуется структура пластинчатого перлита, состоящего из регулярно чередующихся пластин цементита и феррита, причем пластины феррита примерно в 7 раз толще пластин цементита.

Абсолютные значения толщины цементитных и ферритных пластин, величина расстояния между одноименными пластинами в составе эвтектоидной смеси, называемая межпластиночным расстоянием и характеризующая степень дисперсности структуры, определяются степенью переохлаждения аустенита ниже равновесной температуры эвтектоидной реакции. Чем больше степень переохлаждения, тем выше дисперсность феррито-цементитной эвтектоидной смеси. Высокодисперсные феррито-цементитные смеси носят названия сорбит и троостит. Троостит – наиболее дисперсная феррито-цементитная смесь.

Перлит присутствует в структуре сталей и чугунов. Количество перлита растет в доэвтектоидных сталях с увеличением содержания углерода от 0,02 до 0,8 %. Эвтектоидная сталь имеет чисто перлитную структуру (100 % перлита). Дальнейшее увеличение содержания углерода в стали, соответствующее переходу к заэвтектоидным сталям, а далее – к чугунам, сопровождается уменьшением доли перлита в структуре за счет появления и увеличения количества вторичного, эвтектического и, наконец, первичного цементита.

Дата добавления: 2014-01-20