Железоуглеродистых сплавов

Диаграммы состояния систем конкретных компонентов (например, «Железо – углерод», «Медь – алюминий» и др.) редко являются простейшими (типовыми) диаграммами. Они, как правило, являются сложными (комбинированными) диаграммами, в строении которых нужно уметь выделить простейшие (типовые) части их.

Рассмотрим диаграмму состояния «Железо – углерод (цементит)»
(«Fe – Fe ₃ C») (рис. 3.2), основными компонентами которой являются железо и углерод. Температура плавления железа 1539 °С. В твердом состоянии оно может находиться в двух модификациях: α (решетка ОЦК) и γ (решетка ГЦК). Модификация Fe_α существует при температурах до 911 °С и от 1392 до 1539 °С. Важной особенностью Fe_α является его ферромагнетизм ниже температуры 768 °С (точка Кюри). Модификация Fe_γ существует в интервале температур 911–1392 °С.

 

 

Рис. 3.2. Диаграмма «Железо – углерод (цементит)»

 

Углерод имеет ряд полиморфных модификаций: графит, алмаз, карбин, фуллерен, графен и другие.

Графит – минерал из класса самородных элементов. Структура слоистая, состоят из шестиугольных слоев атомов углерода.

Графит хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1–2 по шкале Мооса). Плотность 2,08–2,23 г/см³. Цвет серый, блеск металлический. Устойчив при нагревании в отсутствие воздуха (температура плавления графита под давлением свыше 100 атм. – около плюс 4000 °C).

Главные отличительные черты алмаза – высочайшая среди минералов твёрдость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твердых тел. Алмаз является диэлектриком. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе – всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие пленки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5–0,55. Низкий коэффициент трения обусловливает исключительную износостойкость алмаза на стирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9–2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Карбин – линейный полимер углерода. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано его практическое применение – в фотоэлементах.

Другой модификацией элементарного углерода является фуллере́н – молекулярное соединение, представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Применяются фуллерены как полупроводники (при легировании как сверхпроводники), в оптической технике, при создании лекарств и искусственных алмазов.

Графе́н − двумерная полиморфная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. Графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью (~1 ТПа и ~5×103 Вт/(м·К) соответственно). Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Железо с углеродом образует растворы внедрения. Растворимость углерода в железе зависит от температуры и от того, в какой кристаллической форме существует железо. Твердый раствор углерода в Fe_α называется ферритом,а в Fe_γ – аустенитом.

Содержание углерода в диаграмме «Железо – углерод» ограничивается 6,67 %, так как при этой концентрации образуется химическое соединение Fe ₃ C – цементит. Так как на практике применяют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода не более 5 %, то цементит является вторым компонентом рассматриваемой диаграммы. Цементит – неустойчивое химическое соединение, и при определенных условиях он распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение для получения высокоуглеродистых сплавов – серых чугунов.

Координаты характерных точек диаграммы «Железо – цементит» приведены в таблице 3.1

Превращения в сплавах системы «Fe – Fe ₃ C» происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии.

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых линиями ABCR (ликвидус) и AHIECFD (солидус). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите, при понижении температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените (ES) и феррите (PQ).

Таблица 3.1

Критические точки диаграммы «Железо – цементит»

Обозначение точки	Т, °С	С, %	Обозначение точки	Т, °С	С, %
А	1539	0	F	1447	6,67
Н	1499	0,1	G	911	0
I	1499	0,16	P	727	0,02
B	1499	0,51	S	727	0,8
N	1392	0	K	727	6,67
D	1250	6,67	Q	≈ 600	0,01
E	1147	2,14	L	≈ 600	6,67
C	1147	4,3	R	1250	4,8

 

В системе «Fe – Fe ₃ C» происходят четыре изотермических превращения:

при t = 1499 °С, линия HIB – перитектическое превращение:

Ж_В + Ф_Н → А _I;

при t = 1250 °С, линия RD – перитектическое превращение:

Ж _R + Г → Ц;

при t = 1147 °С, линия ECF – эвтектическое превращение:

Ж_С → А_Е + Ц;

при t = 727 °С, линия PSK – эвтектоидное превращение:

А _S → Ф_Р + Ц → П.

Структурными составляющими данной системы являются: графит (Г), феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц), перлит (П), ледебурит (Л).

Графит – одна из полиморфных модификаций углерода. Свойства графита рассмотрены выше.

Феррит – твердый растворвнедрения углерода в Fe_α, – мягкая, пластичная фаза (σ_В = 300 МПа, δ = 40 %, ψ = 70 %, 650–1000 HB). Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите 0,02 % (точка P), в высокотемпературном – 0,1 % (точка H). Феррит магнитен до 768 ºС (линия МО).

Аустенит – твердый растворвнедрения углерода в Fe_γ, – более твердыйи пластичный (δ = 40–50 %, 2000–2500 НВ), не магнитен. Предельная концентрация углерода достигает 2,14 % (точка Е).

Цементит – химическое соединение Fe ₃ C, – имеет сложную кристаллическую решетку. Температура плавления цементита точно не установлена и колеблется от 1250 до 1700 °С (по данным различных источников). Полиморфных превращений не испытывает, но при низких температурах слабо ферромагнитен. Цементит имеет высокую твердость (8000 НВ), но практически нулевую пластичность.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, – чаще всего имеет пластичное строение, при котором кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита,и является прочной структурной составляющей (σ_В = 800–900 МПа, δ = 16 %, 1800 HB).

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита в интервале температур 1147 – 727°С, а ниже линии SK (727 °С) – смесь перлита и цементита. Ледебурит имеет высокую твердость > 6000 HB, но хрупок.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на техническое железо, стали и чугуны.

Техническое железо – сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С.

Стали – сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 до 2,14 % С.

Чугуны – сплавы железа с углеродом, содержащие свыше 2,14 % С.

Стали подразделяются на доэвтектоидные (содержание углерода от 0,02 до 0,8 %, структура Ф+П), э втектоидные (содержание углерода 0,8 %, структура П), заэвтектоидные (содержание углерода от 0,8 до 2,14 %, структура П+Ц_II). Чугуны подразделяются на доэвтектические (содержание углерода от 2,14 до 4,3 %, структура П+Л+Ц_II), эвтектические (содержание углерода 4,3 %, структура Л), заэвтектические (содержание углерода от 4,3 до 6,67 %, структура Л+Ц_I).