6.1 Диаграмма состояния железо-углерод

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – являются основными конструкционными материалами современной техники. По объему производства чугуны и стали намного превосходят производство всех остальных металлов.

Высокая прочность, достаточная пластичность, возможность изменять свои свойства при различных видах теплового воздействия, а также хорошая обрабатываемость на металлорежущих станках позволяют считать сплавы железа одними из самых универсальных машиностроительных материалов.

Свойства сталей и чугунов и возможности их применения и обработки определяются кристаллическим строением. Основные представления о строении железоуглеродистых сплавов дает диаграмма состояния железо – углерод. Железо и углерод – элементы полиморфные.

Железо – это серебристый металл, плотность которого равна 7,86 г/см3 и температура плавления 1539°С. Технически чистое железо имеет низкую твердость (НB 80) и сравнительно невысокую прочность (?в = 250 МПа), но высокую пластичность (? = 50%). Механические свойства железа зависят от степени его чистоты.

Железо имеет две аллотропические модификации Fe? и Fe?. Модификация Fe? существует при температурах от 1539°С до 1392°С и ниже 910°С, имеет решетку объемно–центрированного куба. Модификация Fe? существует в интервале температур от 910 до 1392°С и имеет гранецентрированную решетку (рис.22). При температуре 768°С называемой точкой Кюри, происходит магнитное превращение железа: ниже этой температуры железо магнитно, а выше – немагнитно. С изменением температуры происходит превращение Fe? в Fe? при нагреве и Fe? в Fe? при охлаждении. Изменение кристаллической решетки обуславливает изменение свойств железа.

Вторым компонентом железоуглеродистых сплавов является углерод. Углерод – неметаллический элемент с плотностью 2,25 г/см3 и температурой плавления около 3500°С. Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. В сплавах углерод присутствует в свободном состоянии в виде графита или же может находиться в химическом соединении с железом в виде карбида железа Fe3С, называемого цементитом. Соответственно существуют две диаграммы состояния сплавов железо – углерод: цементитная и графитная.

Поскольку в практике используется в основном данные системы Fe – Fe3С, то ниже рассмотрим в несколько упрощенном виде цементитную диаграмму. Общий вид этой диаграммы приведен на рис.23. Небольшое количество углерода по диаграмме (6,67%) соответствует максимальному его содержанию в цементите. При большем количестве углерода все железо может быть связано химически в Fe3С, в результате получится система Fe3С – С, которая практического значения не имеет в виду небольшой прочности сплавов этой системы. Следовательно, компонентами сплавов железо – углерод будут, с одной стороны, чистое железо Fe, с другой – цементит Fe3С. Точка A соответствует температуре плавления чистого железа (1539°С), а точка D – температуре плавления цементита (1550…1600°С). При определенных условиях цементит распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение главным образом для высокоуглеродистых сплавов – чугунов. На построенной диаграмме ось абсцисс двойная: содержание углерода и содержание цементита. В начальной точке – 100% железа и 0% углерода. Затем концентрация углерода увеличивается, а железа уменьшается. Диаграмма заканчивается при содержании углерода 6,67%.

Линия ACD на диаграмме является линией ликвидус. Следовательно, в зависимости от содержания углерода процесс кристаллизации сплавов железо – углерод начинается при температурах, отложенных на этой линии.

Конец затвердевания сплавов происходит при температурах, отложенных на линии AEСF, являющейся линией солидус. Точка Е характеризует предельную растворимость углерода в Fe? (2,0%) при температуре 1147°С.

В соответствии с двумя аллотропическими формами железа в системе Fe – C образуется два твердых раствора. Твердый раствор внедрения углерода в Fe? называется ферритом (от Ferrum – железо), а в Fe? – аустенитом (по имени английского ученого Р. Аустена).

Кристаллы аустенита начинают выпадать из жидкого раствора по линии AС. Следовательно, в области AСE будет находиться смесь двух фаз – жидкого раствора и аустенита. По линии СD из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы цементита, а в области диаграммы СFD находится смесь также двух фаз – жидкого раствора и цементита.

В точке С при массовом содержании углерода 4,3% и температуре 1147°С имеет место одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образование эвтектики, называемой ледебуритом (по имени немецкого ученого А. Ледебура).

Сплавы с содержанием углерода до 2,0% называются сталями. Эти сплавы после полного затвердевания в равновесных условиях имеют структуру аустенита. При дальнейшем охлаждении сплава аустенит распадается с выделением по линии GS феррита, а по линии SE вторичного цементита. Точка S при 727°С и массовом содержании углерода 0,8% показывает минимальную температуру равновесного существования аустенита. При понижении температуры ниже 727°С весь аустенит распадается и одновременно образуется механическая смесь фаз феррита и цементита, называемая перлитом.

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода больше 2,0% называют чугунами. Чугуны, содержащие 4,3% углерода, называются эвтектическими. В структуру доэвтектических чугунов входит ледебурит и распавшийся избыточный аустенит. Структура заэвтектического чугуна состоит из цементита и ледебурита. Эти чугуны в промышленности применяются сравнительно редко ввиду их чрезмерной твердости и хрупкости. Таким образом, сплавы железо – углерод в зависимости от концентрации углерода и температуры состоят из нескольких фаз и структурных составляющих. Это жидкий раствор, феррит, аустенит, графит, цементит, перлит и ледебурит.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Fe?. Максимальная растворимость углерода достигает 0,02% при 727°С и меньше 0,006% при комнатной температуре. Твердость и механические свойства феррита близки к свойствам технически чистого железа.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Fe?. При температуре 1147°С аустенит содержит около 2% углерода, а при 727°С – всего лишь 0,8%. Аустенит немагнитен. Атом углерода расположен в центре элементарной ячейки. Аустенит пластичен, имеет низкие значения предела прочности и твердости.

Графит – свободно выделившийся углерод, наблюдаемый в сплавах с содержанием углерода более 2%. Кристаллическая решетка графита гексагональная. Он имеет слоистое строение, и обладает низкой твердостью. Плотность графита 2,25 г/см3. В отличие от всех других материалов предел прочности графита увеличивается при повышении температуры. Графит имеет высокую электро- и теплопроводность, а также химическую стойкость.

Цементит имеет сложную ромбическую решетку и проявляет металлические свойства. При нормальных условиях цементит очень тверд и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210°С. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве.

Перлит – это эвтектоид (аналогично эвтектике), представляющий собой механическую смесь мелких, различной величины пластинок цементита в ферритной основе, содержание углерода составляет 0,8%. Такое название эта структурная составляющая получила за блеск, который имеет отполированный и протравленный шлиф стального образца и который похож на блеск перламутра. Чередующиеся пластинки цементита и феррита обуславливают хорошую обрабатываемость перлита на металлорежущих станках. Твердость перлита – 160…200 НВ.

Все сплавы, имеющие концентрацию углерода до 0,8%, называются доэвтектидными сталями. Они имеют в структуре феррит и перлит. Сплавы, в которых концентрация углерода меняется от 0,8 до 2,0%, называются заэвтектоидными. Структура этих сталей состоит из перлита и цементита. Эвтектоидные стали с содержанием углерода 0,8%, имеют перлитную структуру.

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при концентрации углерода 4,3% в диапазоне температур 1147°С…727°С. При температурах ниже 727°С аустенит превращается в перлит, и ледебурит состоит из смеси перлита и цементита. В качестве структурной составляющей ледебурит присутствует в сплавах с содержанием углерода более 2%, отличается высокой твердостью и хрупкостью.

Наличие тех или иных фаз и структурных составляющих в железо – углеродистых сплавах и определяет их физико-механические и технологические свойства.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008