Компоненты и основные структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Компонентами в железоуглеродистых сплавах являются железо и углерод.

Железо – металл серебристо-серого цвета, обладающий очень высокой пластичностью. Температура плавления 1539 ⁰С, плотность 7,85 г/см³. Его механические свойства:

– твердость по Бринеллю НВ 60…80;

– временное сопротивление при растяжении σ_в = 200…250 Н/мм²;

– относительное удлинение δ = 40…50%;

– ударная вязкость а_к = 1600…2000 Дж/см² (160…200 кгс×м/см²).

Железо при изменении температуры может изменить тип кристаллической решетки (ОЦК→ ГЦК→ ОЦК).

Углерод – неметаллический элемент с температурой плавления 3500⁰С. В природе встречается в виде трех модификаций: уголь, графит, алмаз. С железом он образует твердый раствор или химическое соединение.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов представлена на рис. 3.4. Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, потому что свободный углерод в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

Диаграмма состояния Fe-C позволяет связать внутреннее строение железоуглеродистых сплавов с их химическим составом и условиями охлаждения. В разделах 3.3.3 и 3.3.4 содержится информация о возможной микроструктуре сплавов, а на рисунке 3.5 приведены соответствующие им кривые охлаждения.

Рис. 3.4. Диаграмма состояния железоуглеродистого сплава

Рис. 3.5. Кривые охлаждения различных составов железоуглеродистого сплава

К₁ – при С < 0,02%; К₂ – при 0,02% < С <0,8%; К₃ – при С = 0,8%; К₄ – при 0,8% < С < 2,14%;
К₅ – при 2,14% < С < 4,3%; К₆ – при С = 4,3%; К₇ – при 4,3% < С < 6,67%;

Основные структурные составляющие железоуглеродистых сплавов:

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в a-железе. Он мягкий (НВ 65…130), пластичный (δ =40%), сильно магнитен, хорошо проводит тепло и электричество, временное сопротивление σ_в =250…300 Н/мм². Содержание углерода при комнатной температуре 0,002%, а при t = 727 ⁰С – около 0,1%.

Под микроскопом феррит имеет вид светлых зерен различной величины и формы (рис. 3.6, а,б), по границам может располагаться небольшое количество третичного цементита.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Не магнитен, сравнительно мягкий (НВ 170…200). Растворимость углерода в аустените увеличивается с повышением температуры от 0,8% (при 727 ⁰С) до 2,14% (при 1147 ⁰С).

Перлит (П) – эвтектоидная (механическая) смесь феррита и цементита, образуется в результате распада аустенита при t = 727 ⁰С. Содержание углерода С = 0,8%. Временное сопротивление σ_В =820…900 Н/мм²; предел текучести σ_Т =400 Н/мм²; относительное удлинение δ =9…15%; твердость НВ 160. Перлит имеет пластинчатое или зернистое строение. Под микроскопом зерна перлита имеют серый цвет, при больших увеличениях зерна полосчатые (рис. 3.6, б,в,г).

Ледебурит (Л) – эвтектическая (механическая) смесь аустенита и цементита при температуре более 727 ⁰С и феррита и вторичного цементита при температуре ниже 727 ⁰С (рис. 3.7). Содержит 4,3% углерода. Обладает высокой твердостью (НВ 700) и хрупкостью, временное сопротивление σ_В =1200 Н/мм²; предел текучести σ_Т =800 Н/мм²; относительное удлинение δ =0,25%.

Цементит (Ц) – химическое соединение, карбид железа (Fe₃С), содержит 6,67% углерода. Имеет большую твердость (НВ 800) и хрупкость. Температура плавления около 1500 ⁰С. Временное сопротивление σ_в =1450 Н/мм²; предел текучести σ_Т = 1400 Н/мм²; относительное удлинение δ <1%.

Различают три вида цементита. Первичный (Ц_І) образуется при твердении жидкости в сплавах с содержанием углерода более 2,14%, представляет собой крупные кристаллы (рис. 3.7, в). Вторичный (Ц_ІІ) образуется при разложении аустенита в сплавах с содержанием углерода более 0,8%, имеет форму пластинок (игл) или кристаллов средних размеров (рис. 3.6, г). Третичный (Ц_ІІІ) образуется из атомов углерода, выделившихся с понижением температуры из феррита, имеет форму небольших кристаллов (рис. 3.6, а).