Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо Fe, углерод C и цементит Fe₃C.

Железо Fe — переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую темпера­туру плавления — 1539^oС ± 5^oС.

В твёрдом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911ºС и 1392ºС. При температуре ниже 911ºС существует α-железо (Fe_α), обладающее объёмно-центрированной кубической решёткой. В интервале температур 911÷1392ºС устойчивым является γ-железо (Fe_γ), обладающее гранецентрированной кубической решёткой. Выше 1392ºС железо имеет объёмно-центрированную кубическую решётку и называется (δ-железо (Fe_δ) или высокотемпературное a-железо (Fe_a). Высокотемпературная модификация α-железа (Fe_α) не представляет собой но­вой аллотропической формы. Критическую температуру 911ºС превращения Fe_α ↔ Fe_γ обо­значают точкой А3, а температуру 1392ºС превращения Fe_δ ↔ Fe_γ — точкой А4.

При температуре ниже 768ºС железо ферромагнитно, а выше — парамагнитно. Точка Кюри железа 768ºС обозначается А2.

Железо технической чистоты обладает невысокой твёрдостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности — σ_В = 250 МПа, предел текучести — σ_Т = 120 МПа) и высокими характе­ристиками пластичности (относительное удлинение — δ = 50%, а относительное сужение — ψ= 80%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зер­на.

Железо характеризуется высоким модулем упругости Е, которым характеризуются и сплавы на его основе, благодаря чему обеспечивается высокая жёсткость и прочность дета­лей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами — твёрдые растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом — твёрдые растворы внедрения.

Углерод С относится к неметаллам. Он обладает явлением полиморфизма. В зависимо­сти от условий образования углерод может существовать в форме графита с гексагональной слоистой кристаллической решёткой (температура плавления — 3500ºС, плотность — ρ= 2,25 г/см) или в форме алмаза со сложной кубической решёткой с координационным числом k= 4 (температура плавления — 5000ºС). Графит является мягким материалом и об­ладает низкой прочностью. Однако с увеличением температуры прочность графита аномаль­но растёт: при 20ºC σ_В = 20 МПа, а при 2500ºC σ_В = 40 МПа. При 2500ºC графит прочнее всех тугоплавких металлов.

В сплавах с железом углерод образует либо твёрдые растворы внедрения, либо химиче­ское соединение — цементит Fe₃C. Также углерод может находиться в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

В случае образования твёрдых растворов растворимость углерода в железе зависит от его кристаллической структуры. Размеры пор ОЦК кристаллической решётки значительно меньше, чем размеры пор ГЦК решётки. Поэтому α-железо (Fe_α) способно растворять угле­род в очень малом количестве, а растворимость углерода в γ-железе (Fe_γ) значительно боль­ше.

В системе железо - углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аусте-нит, цементит, графит.

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо Fe хорошо растворяет углерод C в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит (Ф) — твёрдый раствор внедрения углерода в a-железе Fe_α.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02% при температуре 727ºС (точка P). Углерод располагается в дефектах кристаллической решётки железа.

При температуре выше 1392ºС существует высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода С (0,1%) в δ-железе Fe_δ при температуре 1499ºС (точка H).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твёрдость — 130 НВ, предел прочности — σ_в = 300 МПа) и пластичен (относительное удлинение — δ = 30%), обладает магнитными свойствами до 768ºС.

Аустенит (А)— твёрдый раствор внедрения углерода С в γ-железе Fe_γ.

В аустените углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,8% при температуре 727ºС (точка S), максимальную — 2,14% при температуре 1147ºС (точка Е).

Аустенит имеет твёрдость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение его со­ставляет — δ = 40… 50%), обладает парамагнитными свойствами.

И в феррите и в аустените могут растворяться многие легирующие элементы, образуя твёрдые растворы замещения и резко изменяя их свойства. Кроме того, легирование может значительно изменять температурные границы существования фаз.

Цементит (Ц)(Fe₃C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержащее 6,67% углерода С.

Цементит не испытывает полиморфных превращений при изменении температуры. Кристаллическая решётка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (по разным данным она со­ставляет 1250ºС или 1550ºС). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен. Магнитные свойства он теряет при температуре около 217ºС.

Цементит имеет высокую твёрдость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но очень низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решётки цементита. Цементит способен образовывать твёрдые растворы замещения. Атомы углерода C могут замещаться атомами неметаллов: азотом N, кислородом O; атомы железа Fe — металлами: марганцем Mn, хромом Cr, вольфрамом W и др. Такой твёрдый раствор на базе решётки цементита получил название легированный це­ментит.

Цементит — соединение неустойчивое и при нагреве распадается с образованием сво­бодного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В железоуглеродистых сплавах выделяют три вида цементита в зависимости от темпе­ратуры образования: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третич­ный (Ц_III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механиче­ские свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих фаз в сплавах. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки во­круг зёрен аустенита (при охлаждении — вокруг зёрен перлита). Цементит третичный выде­ляется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ зёрен феррита.