Железоуглеродистые сплавы.

Диаграмма состояния системы «железо – углерод»

Диаграмма состояния железо – углерод (Рис.37.) дает представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов. Первое представление о диаграмме железо – углерод дал Д.К.Чернов, который в1868 году отметил существование в стали критических точек, и их зависимость от содержания в стали углерода, т.е. по сути, впервые указал на полиморфизм железа. Содержание углерода в диаграмме Fe – C (цементит) ограничивается 6,67%, так как при этой концентрации образуется химическое соединение – карбид железа (Fe₃C) или цементит, который и является вторым компонентом данной диаграммы.

Железо – металл серебристо - белого цвета, мягкий. Чистое железо содержит 99,91% Fe. Температура плавления железа 1539ºС. До температуры 768ºС железо магнитное. Температура, при которой железо теряет свои магнитные свойства, называется точкой Кюри. Железо имеет две аллотропические модификации: Fe и Fe . Железо существует при температурах ниже 911ºС и выше 1401ºС. В интервале температур 911-1401ºС существует железо .

Второй компонент сплава – углерод– также имеет несколько аллотропических разновидностей, отличающихся между собой по внешнему виду, а также по физико-химическим свойствам: графит, алмаз и уголь. Графит – мягкое вещество, пластичен. Алмаз – самое твердое в природе вещество, хрупок, обладает высокой износостойкостью.

По диаграмме можно определить структуру сплавов как после медленного охлаждения, так и после нагрева. Согласно диаграмме состояния для железоуглеродистых сплавов характерны следующие фазовые и структурные составляющие.

Однофазные составляющие.

Феррит – твердый раствор углерода в железе . При комнатной температуре в феррите может раствориться не более 0,006 % углерода. Феррит (почти чистое железо) обладает небольшой прочностью и твердостью (НВ 80-100).

Цементит – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), отвечающее формуле Fe₃C. Содержание углерода в цементите составляет 6,67% и не изменяется вплоть до температуры плавления. это самая твердая структурная составляющая стали (НВ 750-800); цементит имеет высокую прочность но чрезвычайно хрупок ( = 0%); магнитен.

Аустенит – твердый раствор углерода в железе . Максимальная растворимость углерода в аустените 2,14% при 1147º. Аустенит имеет невысокую твердость (НВ 170-200), достаточно высокую прочность наряду с хорошей пластичностью ( = 40-50%), большую стойкость против коррозии, высокое электросопротивление, немагнитен. Микроструктура аустенита представляет зерна в виде многогранников.

Двухфазные структуры.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита (после травления эта структура имеет перламутровый отлив, отсюда и название перлит). Различают два вида перлита – пластинчатый (цементит в виде пластинок) и зернистый (цементит в виде зернышек). Зернистый перлит имеет более высокие механические свойства, чем пластинчатый, занимая промежуточное место между ферритом и цементитом ( НВ 200-250). Перлит содержит 0,83% углерода, обладает высокой прочностью и упругостью, но незначительной вязкостью.

Ледебурит (эвтектика) – смесь аустенита и цементита. Ледебурит (по имени немецкого ученого А.Ледебура) образуется при кристаллизации жидкого раствора постоянного состава (4,3%С) при температуре 1147ºС. Ледебурит имеет очень высокую твердость (800HV), очень хрупок.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы подразделяются на стали и чугуны.

Сталями называются железоуглеродистые сплавы, содержание углерода в которых не превышает 2,14%. Стали с содержанием углерода до 0,8% называются доэвтектоидными, 0,8% - эвтектоидными и более 0,8% - заэвтектоидными.

Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14%. Чугуны, содержащие менее 4,3% углерода, называются доэвтектическими, содержащие 4,3% - эвтектическими и более 4,3% - заэвтектическими.

Диаграмма состояния железо – углерод построена на координатных осях. По горизонтальной оси отложено процентное содержание углерода, по вертикальной – температура сплава.

Превращение из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация) для всех сплавов начинается по линии АСD, т.е. по линии ликвидуса. При этом сплавы, содержащие 0 – 4,3% С, начинают затвердевать по линии АС, выделяя зерна аустенита, а сплавы, содержащие более 4,3% С, начинают затвердевать по линии СD, выделяя из жидкого сплава зерна цементита. Точка С соответствует эвтектической точке. Сплав, содержащий 4,3% углерода, - эвтектический сплав – затвердевает при постоянной температуре 1147ºС (ледебурит).

Кривая AECF (линия солидуса) соответствует концу кристаллизации сплавов. Одной из наиболее важных точек диаграммы состояния Fe –Fe₃C является точка Е, лежащая при температуре 1147º и соответствующая содержанию углерода 2,14%. Точка Е характеризует наибольшее количество углерода, которое может растворить в себе -железо при 1147ºС. С понижением температуры растворимость углерода в - железе уменьшается по линии ES и при температуре 727º (точка S) становится равной 0,83%.все сплавы содержащие более 2,14% С, имеют постоянную температуру конца затвердевания 1147º.