Фазы, структурные составляющие

Железо - один из распространенных элементов не только на земле (в земной коре около 5% железа), но и во всей вселенной (до 3000 железных метеоритов ежегодно падают на землю).

Человек использует железо и его сплавы около 3000 лет, за это время произведено около 20 млрд. тонн железных сплавов; из них до 5 млрд. используется в настоящее время, весовая доля их в маши­ностроении составляет около 90%.

Широкое распространение сплавов связано с их относительной де­шевизной и возможностью получить за счет варьирования химического состава и термической обработки различные технологические и физи­ко-механические свойства.

Железоуглеродистые сплавы - сложные системы, состоящие из 5-6 и более компонентов. Один из них попадает в сплавы в процессе метал­лургического передела (кремний, сера, фосфор, кислород, водород и др.) - примеси, другие специально вводятся в сплавы для изменения их свойств в нужном направлении (хром, никель, молибден, вольфрам и др.) - легирующие элементы.

Однако, основными элементами, определяющими структуру и свойс­тва являются железо и углерод. Поэтому часто эти сложные сплавы рассматриваются как двойные - железо-углерод, а влияние примесей и легирующих элементов рассматривается самостоятельно в соответству­ющих разделах.

Начало изучения диаграммы Fe-C было положено Д.К. Черновым. Им впервые открыты так называемые критические точки (температуры) у стали (1868 г.). Используя данные Д.К. Чернова и собственные исс­ледования, Ф. Османд, Р.Аустен, П. Гереис к 1898 г. построили ди­аграмму Fe-C в интервале от 0 до 6,67%С близкую к современной. В настоящее время диаграммы продолжают изучаться, уточняется положе­ние линий диаграммы и критических точек.

Железо образует с углеродом ряд устойчивых соединений (карбидов), которые разбивают диаграмму на 4 участка, каждый из которых может рассматриваться как самостоятельная диаграмма (см. диаграммы с устойчивым химическим соединением).

Нами будет рассмотрен только первый участок железо-карбид желе­за, содержащий от 0 до 6,67%С. Эта часть диаграммы разработана подробно, т.к. на практике применяются сплавы, содержащие < 6% С.

Соединение Fe₃С (цементит) неустойчиво (метастабильно) и при соответствующих условиях (медленном охлаждении) возможна кристал­лизация из жидкости свободного углерода в виде графита. Поэтому железоуглеродистые сплавы, содержащие < 6,67%С могут кристаллизо­ваться по двум типам диаграмм: метастабильной - Fe - Fe₃C, когда свободного углерода не образуется, и стабильной, Fe - С, когда возможно выделение свободного углерода из жидкости или в результа­те распада цементита. Так как эти диаграммы по виду похожи, их изображают на одном графике только линии метастабильной диаграммы сплошные, а стабильной пунктирные.

Железо - переходный металл серебристо-белого цвета. Атомный но­мер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 1,27 А, электронная формула 1S2 2S2 2Р6 3S2 ЗР6 3D6 4S2. Чистое железо содержит 0.001% примесей, техническое железо (армко) - 0,1 % примесей. Темпера­тура плавления – 1539^о С, кипения - 3200⁰ С.

В твердом состоянии в зависимости от температуры может иметь две полиморфные модификации альфа и гамма: Fe - альфа существует при температурах ниже 910 ⁰С и выше 1392 ⁰С. В интервале 1392⁰-1539⁰С Fe - альфа часто обозначают как Fe - дельта.

Кристаллическая решетка Fe - альфа объемноцентрированный куб с периодом решетки 2,8606 А. До 768⁰ С (точка Кюри) железо ферромагнитно, при более высоких температурах – парамагнитно.

Кристаллическая решетка Fe- гамма - гранецентрированный куб с периодом решетки 3,645 А. Плотность более высокая - 8,0 - 8,1 г/см^З. Это значит, что при полиморфном превращении Fe_a ® Fe_g происходит сжатие, объемный эффект - 1%.

Полиморфное превращение связано с различием в изменении величи­ны свободной энергии решетки ОЦК И ГЦК с температурой.

Температуры превращения в твердом состоянии называются крити­ческими точками и обозначается буквой А с соответствующими индек­сами. Ас и Аr не совпадают вследствие теплового гистерезиса (все превращения происходят при некотором нагреве или переохлаждении).

Свойства технического железа при 20⁰ С: НВ 80; 220-250 МПа.

Углерод. В природе встречается в двух аллотропических формах - алмаз и графит, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см^З, атомная мас­са 12, атомный радиус 0,77 А, температура плавления 3500⁰ С. Углерод полиморфен. При атмосферном давле­нии устойчивая модификация графит. Решетка графита гексагональная, структура слоистая. Слабые связи между параллельными слоями ато­мов и очень прочные (ковалентные) - между атомами внутри слоя.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения карбида железа- це­ментита, а в высокоуглеродистых сплавах в виде графита.

В системе железо-углерод различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы внедрения - феррит и аустенит, химические соеди­нения - цементит и графит.

Феррит (Ф)- твердый раствор внедрения углерода (и других примесей) в железе, решетка-ОЦК. Различают альфа-феррит с максимальной раст­воримостью углерода 0,025% (при 727⁰С) и минимальной раствори­мостью 0,006% (при 20⁰ С), и высокотемпературный дельта- феррит с пре­дельной растворимостью углерода 0,1% (при 1499⁰С).

Атомы углерода располагаются в решетке феррита в центре грани куба, где имеется максимальная пора. Механические свойства альфа -феррита близки к свойствам армко-железа,. До 768⁰ С ферромагнитен.

Аустенит ( А)- твердый раствор внедрения углерода (и других приме­сей) в гамма-железе решетка ГЦК. Предельная растворимость - 2,14 (при 1147° С). Атомы углерода в решетке гамма - железа располага­ются в центре элементарной ячейки, где может поместиться сфера радиусом 0,41 атомного радиуса железа,т.е. близкая к атомному ра­диусу углерода и в дефектных областях кристалла. Аустенит обладает высокой пластичностью и сравнительно низкой прочностью.

Цементит (Ц) - карбид железа, имеет сложную орторомбическую решетку. Тем­пература плавления из-за его метастабильности при высоких темпера­турах точно не установлена (1250-1550⁰С). До 221⁰С (А) ферромаг­нитен.

Цементит имеет очень высокую твердость (> НВ 800) и практичес­ки нулевую пластичность. Он может образовывать твердые растворы замещения и внедрения с другими элементами. При замещении атомов железа атомами других металлов образуется легированный цементит (Fe, W, Сг). Вид диаграммы Fe-Fe₃C приведен на рис.6.1. Ось абсцисс двойная: показано содержание углерода и цементита. При этом можно указать на простое правило - уменьшение содержания углерода на 15% дает содержание цементита в любом сплаве в % по массе. Все сплавы в данной системе можно условно разбить на две большие группы: спла­вы, содержащие до 2,14% называются сталями, сплавы, содержащие > 2,14% С - чугунами.

Точки А и Д соответствуют температурам плавления железа и це­ментита. Точки N (1392⁰С) и (910⁰С) соответствуют полиморфному превращению, в чистом железе. Концентрации углерода для характер­ных точек указаны на диаграмме.

Линия АВСД - линия ликвидус. Участок АВ показывает температу­ру начала кристаллизации из жидкого сплава - феррита, ВС - темпе­ратуру кристаллизации аустенита, СД - температуру кристаллизации первичного цементита (Ц₁).

Линия AHJBECF -линия солидус. Ниже участка АН сплав затвердел и

существует только феррит; HJB - линия перитектического превращения (равновесия).

Линия ECF (солидус) - линия эвтектического превращения (равно­весия) соответствует кристаллизации из жидкости эвтектики, состоя­щей из кристаллов А и Ц - ледебурита (Л)

В ледебурите всегда 4,3% углерода, и он образуется при постоян­ной температуре (1147⁰С).Превращение происходит во всех сплавах, содержащих 2,14 и < 6,67% С (чугунов).

Линии NH и NJ линии первого (высокотемпературного) полиморфного превращения в сплавах. Необходимо обратить внимание, что в отли­чие от чистого железа полиморфные превращения в сплавах происходят в интервале температур.

Линия ES - линия ограниченной растворимости углерода в аустените. Ниже этой линии А пересыщен углеродом и из него выделяется вы­сокоуглеродистая фаза - Ц_II (цифра II указывает, что Ц выделился из А).

Линия PSK - линия эвтектоидного превращения (равновесия). Это превращение протекает у всех сплавов, при этом аустенит состава S распадается на смесь двух фаз: феррита состава Р и цементита

А_s®(Ф_р+Ц)-П

Распад происходит при постоянной температуре (727⁰С) и в образу­ющемся эвтектоиде - перлите (П), всегда содержится 0,8% углерода.

Линии GS и GP - линии второго полиморфного превращения. Ниже линии GP полиморфное превращение заканчивается и структура сплава ферритная (А«Ф).

Линия PQ - линия ограниченной растворимости углерода в ферри­те. Ниже этой линии феррит пересыщен углеродом и из него выделяет­ся Ц_III (цифра III указывает, что Ц выделился из феррита).

На всех горизонтальных линиях в равновесии находятся три фазы, система нонвариатна, т.е. С=0.

Перитектическое превращение наблюдается у сплавов, содержащих от 0,1 до 0,5% С, эвтектическое - от 2,14 до 6,67 %С, эвтектоидное у всех сплавов, содержащих > 0,025% С. Для того чтобы достаточно подробно познакомиться с фазовыми превращениями в этой системе рассмотрим кристаллизацию типовых сплавов (рис.6.2). Зная как кристаллизуются эти сплавы, можно сказать как кристаллизуется любой сплав в данной системе и какая у него будет структура.

В со­ответствии с диаграммой состояния сплавы, содержащие < 0,8%С называ­ются доэвтектоидными, > 0,8%С - заэвтектоидными и 0,8%С эвтектоидными сталями. В зависимости от концентрации углерода сплавы, со­держащие < 0,3%С называются низкоуглеродистыми, с 0,3 - 0,6%С -среднеуглеродистым, с > 0,7%С - высокоуглеродистыми сталями.

Рассмотрим процесс структурообразования в них при охлаждении из жидкого состояния до некоторой температуры 1, лежащей ниже линии NJE (ликвидус), а затем до 20⁰С (комнатной температуры).

 

Кристаллизация стали.

Все превращения начинаются при некотором переохлаждении, т.е. при температурах ниже равновесной, лежащей на соответствующей ли­нии диаграммы.

Спл.1. Между t_l – t₂ - жидкость затвердевает с образованием кристаллов феррита.Между t₂ - t₃ - идет физическое охлаждение При t₃ начинается, а при t₄ заканчивается полиморфное превращение решетки ОЦК -> ГЦК, т.е. ниже t₄ структуры сплава-аустенит (рис. 6.2).

Сплав II. Между t₁ и t₂ из жидкости кристаллизуется феррит. При t₂ проис­ходит перитектическое превращение. Концентрация по углероду, соот­ветствует точке Н, а жидкости - точки В. Обе фазы в этот момент пересыщены углеродом. Количество фаз таково, что в результате взаимодействия друг с другом они исчезают и образуется новая фаза -аустенит состава точки I.

Внешне структура не будет отличаться от структуры сплава I.

Сплав III. Сплав кристаллизуется следующим образом. Так как в жид­кости много углерода, то кристаллизация Ф невозможна и из нее кристаллизуется аустенит. При температуре t₂ жидкая фаза исчезает, структура сплавов - А. Следовательно, в результате кристаллизации стали независимо от содержания в ней углерода образуется структура аустенита.