Свойства фаз и структур сплава железо- углерод

Конструкционные материалы

Сплавы на основе железа

Свойства фаз и структур сплава железо- углерод

Железо и его сплавы – важнейшие конструкционные материалы. Особенности фазового и структурного состояния Fe-C обусловлены полиморфизмом Fe и ограниченной растворимостью углерода в его аллотропных модификациях. Поэтому кроме стабильных фаз и структур в этой системе присутствуют метастабильные фазы, образующиеся при неравновесной кристаллизации. Легирование позволяет еще более разнообразить свойство этих сплавов.

Железо (Fe) – переходный металл 8-ой группы с содержанием в земной коре 4,5% (4-ый по распространенности). При температуре до 911 С существует в форме Fe (ОЦК); в области 911-1392 С - Fe_γ (ГЦК); от 1392 С и до Т =1539 С снова форма Fe . Точке 768 С соответствует плато на кривой Т( ) обусловленное магнитным переходом (ферро-парамагнитное состояние). Немагнитное железо в области 768-911 С иногда обозначают Fe .

Для технически чистого Fe ( 0,1% примесей): плотность 7680 кг/м ; = 200-250 МПа; относительное удлинение = 50-60%; твердость 70-80 НВ. Кристаллические решетки и -Fe: период – 0,286 и 0,364 нм; размеры пор - 0,06 и 0,1 нм, соответственно. Это обуславливает разную растворимость С, имеющего = 0,154 нм.

В системе Fe-C существуют следующие фазы: жидкий и твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение (цементит), графит, а также механические смеси перлит и ледебурит как структурные составляющие.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Fe с ОЦК решеткой. Низкотемпературный Fe_α содержит при 727 С до 0,02% С (0,006% С при 20 С); высокотемпературный -феррит – до 0,1% С. Непрочен, высокопластичен ( = 40-50%) и мягок (80-120 НВ), хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии. Обозначается Ф или .

Аустенит (А или ) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ c содержанием до 2,14% С при 1153 С. Высокопластичен, но более тверд, чем феррит (160-200НВ).

Цементит (Ц) – химическое соединение содержит 6,67%С. Самая твердая (800НВ) и хрупкая фаза. Решетка ромбическая, Т_пл = 1250 С, ферромагнетик с =210 С. Образует твердые растворы замещения с О и N (замещается С) и металлами (Mn, Cr, W замещается Fe). Сплавы на основе Ц в чистом виде не используют. Обуславливает твердость сплавов Fe-C.

Графит – аллотропная модификация С со слоистой гексагональной решеткой. Мягок и непрочен. Т = 3800 С, плотность 2500 кг/м . Химически стоек и электропроводен. Обозначается Г.

Перлит (П) – механическая смесь феррита и цементита с 0,83%С. Образуется при 723 С в ходе эвтектоидного распада Аустенита (т.е. перлит – эвтектоид). Перлит имеет высокую прочность ( = 800 МПа), твердость 200НВ и повышает механические свойства сплавов Fe-C. Структура перлита – чередующиеся пластинки Ф и Ц.

Ледебурит (Л) – механическая смесь аустенита и цементита, образуется при кристаллизации сплава с 4,3% С при Т = 1147 С. При Т < 727 С аустенит в ледебурите превращается в перлит, т.е. ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит - эвтектика. Он тверд (700НВ), имеет сотовое или пластинчатое строение, содержащееся во всех белых чугунах.