Компоненты и структурные составляющие в диаграмме железо- углерод

Компонентами в сплавах железа с углеродом являются металл железо и неметалл углерод.

В промышленности чистое железо практически не используется, а наиболее широко применяются его сплавы. Основными из них являются сплавы железа с углеродом называемые сталями и чугунами.

Диаграмма состояний сплавов в системе железо- углерод дает первостепенные представления и понятия о строении и свойствах их составляющих.

Наибольшее практическое значение имеет только часть диаграммы состояния железо-углерод, в которой показано формирование цементитаFe₃C, так как сплавы, содержащие большее количество углерода, очень хрупкие и практически не применяются в промышленности. Поэтому диаграмму состояния системы железо-углерод изображают только до концентрации углерода 6,67 % масс и называют диаграммой состояний железо-цементит

Железо – химический элемент IV периода VIII группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Химический знак Fe, атомный номер 26, радиус 0,127 нм, масса 55,85, металл.

Железо является одним из наиболее распространенных элементов в природе, уступая лишь кислороду, кремнию и алюминию. Общее его содержание в земной коре составляет 5,1 %. В свободном виде оно находится в падающих на землю метеоритах. Распространены в природе различные соединения железа. Оно входит в состав большинства горных пород и минералов, из которых состоят месторождения железных руд.

Чистое железо (Fe) имеет температуру плавления 1539ºC, плотность –7,68 - 7,85 г/см³. Металл обладает невысокой твердостью и прочностью НВ» 80, s_в» 250 МПа; s_0,2 = 120 МПа и хорошей пластичностью; d = 50 %; y = 80 %. В твердом состоянии испытывает два полиморфных превращения. Важнейшее из них – превращение при 911ºC. Ниже этой температуры железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) с параметром a = 0,286 нм (рис.1, а). Это α-железо (Fe_α). Выше 911ºC существует γ-железо (Fe_γ) с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК) и параметром a = 0,364 нм (рис.1, б).

а б

Рис. 1. Кристаллическая решетка a-железа (а) и g-железа (б)

 

α-железо ферромагнитно, При 768°Су него исчезают ферромагнитные свойства и железо становится парамагнитным, но кристаллическая структура его существенно не меняется. Критическую точку, соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри (рис.2).

Рис.2. Температурный полиморфизм железа

 

Высокотемпературная модификация Fe_γ парамагнитна, что позволяет легко обнаруживать тот и другой вид решетки магнитными методами.

В точке 1392°С совершается новое полиморфное превращение, при котором образуется d-Fe с объемно центрированной кубической решеткой. Это строение железо сохраняет до температуры плавления. Данная модификация парамагнитна.

Высокотемпературное превращение γ-железа в δ-железо с ОЦК решеткой меньше влияет на структуру и свойства сплавов.

Высокотемпературная модификация Fe_γ парамагнитна, что позволяет легко обнаруживать тот и другой вид решетки магнитными методами.

Высокотемпературное превращение γ-железа в δ-железо с ОЦК решеткой меньше влияет на структуру и свойства сплавов.

Углерод – химический элемент II периода IV группы периодической системы, химический знак - С, атомный номер 6, радиус 0,077 нм или 0,77 Å; масса 12,011; неметалл. Массовая доля углерода в земной коре составляет 0,1 %. Он встречается в природе в свободном состоянии в двух аллотропических модификациях - алмаза и графита. Алмаз – прозрачное кристаллическое вещество со сложной кубической решеткой, что обеспечивает ему очень высокую твердость. Графит имеет темно-серую окраску с металлическим блеском. Он является жирным на ощупь. По своему строению это слоистое кристаллическое вещество с гексагональной решеткой

Углерод не плавится при нагреве, а возгоняется (переходит в газовую фазу) при температуре 3800ºC. Он мягкий, непрочный, хорошо проводит электричество.

Углерод может растворяться в жидком железе и в решетках обеих полиморфных модификаций, а также образует с железом химическое соединение. Поэтому в сплавах могут присутствовать следующие фазы: жидкий раствор (Ж), феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц), графит (Г).

Твердые растворы внедрения углерода и других примесей в a-железе называют ферритом, а в g-железе – аустенитом.

Феррит получил свое название от латинского наименования железа – «Ferrum». Различают низкотемпературный a-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный d-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1 %. Атом углерода в решетке феррита располагается в центре объема куба. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен. Твердость и механические свойства феррита близки к таковым технически чистого железа (s_в = 250 МПа, s_0,2 = 120 МПа, d = 50 %, y = 80 %, НВ 80 – 90 кгс/мм² или 800 – 900 МПа), они зависят от количества элементов, присутствующих в нем (многие химические элементы образуют с ферритом твердые растворы замещения). Микроструктура феррита представлена на рис.3.

 

 

Рис.3. Микроструктура феррита

Аустенит был назван так в честь английского ученого Роберта Аустена, который занимался исследованиями структуры составляющих системы железо - углерод и разработкой вариантов ее диаграммы состояния. Атом углерода в решетке g - железа располагается в центре элементарной ячейки (рис.4,б).

а б

Рис.4. Кристаллическая решетка феррита (а) и аустенита (б)

 

Аустенит – парамагнитен, высокопластичен (НВ = 170 – 220 кгс/мм² или 1700 – 2200 МПа), имеет низкие механические характеристики, такие как пределы текучести и Аустенит – парамагнитен, высокопластичен (НВ = 170 – 220 кгс/мм² или 1700 – 2200 МПа), имеет низкие механические характеристики, такие как пределы текучести и прочности. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна (рис.5).

 

 

Рис.5. Микроструктура аустенита

 

Железо и углерод, взаимодействуя друг с другом, могут образовывать ряд металлических карбидов с различными химическими формулами: Fе₃С, Fе₂С, FеС и другие. Наиболее распространенным и широко применяемым из них является карбид железа среднего состава Fе₃С – цементит. Стехиометрическое соотношение элементов в нем соответственно равно 3/1. Содержание углерода составляет 6,67 % масс.

Кристаллическая решетка карбида железа очень сложная. Она представляет собой орторомбическую структуру с плотной упаковкой атомов (в элементарной ячейке расположено 12 атомов железа и 4 углерода). Характер связи между атомами железа чисто металлический, а между железом и углеродом ионно-металлический. Такое строение приводит к тому, что он проявляет металлические признаки: блеск, высокая электропроводность, уменьшающаяся с повышением температуры, легкость образования твердых растворов с металлами.

Данное соединение обладает высокой твердостью, сравнимой только с алмазом, он легко царапает стекло (НВ более 800 кгс/мм²), но чрезвычайно низкой практически нулевой пластичностью (большой хрупкостью), значительной жаропрочностью и обычно более высокой температурой плавления, чем исходный металл.

1.2 Диаграмма состояния железо – цементит

Диаграмму системы железо-углерод можно проанализировать только до образования в ней карбида железа - Fе₃С – концентрация углерода 6,67 %. Это связано с тем, что наибольшее практическое значение имеет только часть диаграммы состояния железо-углерод, в которой показано формирование цементита, так как сплавы, содержащие большее количество углерода, очень хрупкие и практически не применяются в промышленности. Поэтому диаграмму состояния системы железо-углерод изображают только до концентрации углерода 6,67 % масс и называют диаграммой состояний железо-цементит (рис.6).

 

Рис.6. Диаграмма железо-углерод

 

Кривая АВСD - линия ликвидус, которая на участке АВ соответствует температурам начала выпадения кристаллов феррита (a),а на участке ВС соответствует температурам начала выпадения кристаллов аустенита (g) из жидкого сплава (L). В области СD – она представляет геометрическое место точек, отвечающих температурам начала кристаллизации первичного цементита (Fe₃С_I) из жидкой фазы (L).

Линия АHJЕСFD - солидус, криволинейный участок АHJЕ которой, определяет окончание затвердевания жидкой фазы.

Линии NH и NJ отражают начало и конец полиморфного превращения аустенита и d-феррита, а линии GS и GP соответственно начало и конец полиморфного превращения аустенита и a-феррита.

Кривые DC, ES и PQ показывают на ограничение максимальной растворимости углерода в фазовых составляющих железоуглеродистых сплавов. Эти линии определяют максимальную растворимость углерода в той фазе, которая расположена на диаграмме левее данной кривой. Это значит, что DC характеризует предельную концентрацию углерода в жидкости; ES в аустените g; PQ в феррите a. При понижении температуры системы меньше точек растворимости углерода из фазы, находящейся слева от соответствующей им кривой, выделяется избыток углерода, образуя цементит первичный, вторичный и третичный соответственно.

На горизонтальной линии HJВ происходит нонвариантная реакция с участием трех фаз образования аустенита из жидкости и феррита.

L_B + a_H®g_j

Горизонтальный участок ECF является геометрическим местом точек, соответствующих также концу кристаллизации аустенита (ЕС)и первичного цементита - Fe₃C_I (CF), и одновременно отвечает температурам изотермического превращения жидкого сплава состава точки С в двухфазную эвтектику – ледебурит.

L_C®g_Е + Fe₃C_F.

Данная реакция наблюдается только у сплавов с содержанием углерода более 2,14 % масс.

В системе железо – углерод эвтектика содержит 4,3%С и кристаллизуется при температуре 1147ºC. Она представляет собой смесь кристаллов аустенита и цементита и называется ледебурит (в честь австрийского ученого-металлурга Ледебура).

 

Л = А + Ц.

 

Ледебурит - образуется в процессе эвтектического превращения по реакции

 

Ж = g + Fe₃C

 

По своей структуре он представляет собой чередующиеся пластинки аустенита и цементита. При температурах ниже 727°С аустенит в этой смеси изотермически превращается в перлит. Ледебурит такого состава называется низкотемпературным. Микроструктура ледебурита представлена на рис.7.

 

Рис.7 Микроструктура ледебурита

На горизонтальной линии PSK происходит нонвариантная реакция с участием трех фаз образования перлита из аустенита.

 

g_S®a_{P +} Fe₃C_K

 

Перлит – смесь пластин феррита и цементита образующаяся при 727°С. по реакции

 

А= a + Fe₃C,

 

Он имеет перламутровый цвет (отсюда и название), концентрация углерода в нем - 0,8 % масс. Структура его также как и ледебурита состоит из следующих друг за другом пластинок феррита и цементита (рис.8).

Перлит имеет наиболее удачное сочетание механических свойств из всех равновесных структур в сплавах железа с углеродом. В нем мягкие, вязкие пластины феррита чередуются с прочными, твердыми, жесткими пластинами цементита: П = Ф + Ц (рис.8). Такая структура хорошо сопротивляется самым разным механическим нагрузкам, обладает высокой прочностью и достаточной вязкостью. Твердость перлита составляет 180-220 HB, в зависимости от размера зерна.

 

 

Рис.8 Микроструктура перлита и цементита вторичного.

Диаграмму состояния Fе - Fе₃С по оси абсцисс – концентрация углерода – делят на следующие участки:

0 - 0,02 % (точка Р)- технически чистое железо;

0,02 - 0,80 % (отрезок PS) - доэвтектоидные стали;

0,80 % (точка S) - эвтектоиднаясталь;

0,80 - 2,14 % - заэвтектоидные стали;

2,14 - 4,31 % (отрезок EC) - доэвтектические чугуны;

4,31 % (точка С) - эвтектический чугун;

4,31 - 6,67 % (отрезок CF) - заэвтектические чугуны.