Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Сталь и чугун — основные машиностроительные материалы. Они составляют 95 % всех используемых в технике сплавов.

Сталью называют сплавы железа с углеродом и другими эле­ментами, содержащие до 2 % углерода. Углерод — важнейшая примесь стали. От его содержания зависят прочность, твердость и пластичность стали. Кроме железа и углерода в состав стали входят кремний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси обычно попадают в сталь в процессе выплавки и являются ее неизбежными спутниками.

Чугуна отличается от стали более высоком содержании углерода (более 2,14 %). Наибольшее распространение получили чугуны, содержащие 3-3,5 % углерода. В состав чугунов входят те же примеси, что и в сталь, т. е. кремний, марганец, сера и фос­фор, но в несколько больших количествах. Углерод в чугуне мо­жет находиться в химическом соединении с железом либо в сво­бодном состоянии в виде графита. Чугуны, у которых весь угле­род находится в химическом соединении с железом, называют белыми (по виду излома), а чугуны, весь углерод которых или большая его часть представляет собой графит называются серыми.

В железоуглеродистые сплавы входят различные структурные составляющие, свойства которых обусловливают свойства стали и чугуна.

Феррит — твердый раствор небольшого количества углерода (до 0,04 %) и других примесей в а-железе — мягкая, пластичная и недостаточно прочная структурная составляющая. Относительное удлинение δ равно 30 %, твердость — 50-80 НВ, предел прочности σ_в = 300 МПа (30 кгс/мм²). Практически это чистое железо. Механические свойства феррита в большой степе­ни зависят от размеров зерен. Феррит обладает магнитными свой­ствами (до температуры 768 °С).

Цементит — химическое соединение железа с углеродом — кар­бид железа. Он содержит 93,33 % железе и 6,67 % углерода. Отличается большой твердостью (800 НВ, т. е. в 10 раз тверже феррита) и значительной хрупкостью. Цементит слабо маг­нитен, а при температурах выше 215 °С — немагнитен. Углерод может проникать в железо двумя способами. Атомы углерода мо­гут занимать в пространственной решетке свободные места меж­ду атомами железа. Однако при комнатной температуре в про­странственной решетке железа может поместиться всего 0,0001 % углерода. Остальные атомы углерода проникают в железо другим путем — вступают с ним в химическую связь. При этом образует­ся карбид железа Fe₃C (цементит), состоящий из трех атомов же­леза и одного атома углерода.

а — зерна феррита; б — светлые пластины цементита в заэвтектическом белом чугуне; в — зернистый перлит, зерна цементита; г — пластинчатый перлит, пластины цементита; д — зерна аустенита, установленные ме­тодом окисления при 925 °С; е — ледебурит эвтектического белого чугуна

Рисунок 4.1 - Микроструктуры железоуглеродистых сплавов

Феррит и цементит являются основными структурными состав­ляющими железоуглеродистых сплавов. Они могут располагаться, например, в структуре стали каждый в отдельности или в виде равномерной механической смеси, которая называется перлитом. Такое название эта смесь получила потому, что шлиф ее при травле­нии имеет перламутровый отлив. Так как перлит образуется в ре­зультате процессов вторичной кристаллизации, его называют эвтектоидом (в отличие от эвтектики). Образование перлита проис­ходит при температуре 727 °С. В нем содержится 0,8 % углерода.

Перлит имеет две разновидности. Если цементит в перлите расположен в виде пластинок, его называют пластинчатым, если же цементит расположен в виде зерен, перлит называют зернистым. Под микроскопом пластинки цементита кажутся блестящими, потому что обладают большой твердостью, хорошо полируются и при травлении кислотами разъе­даются меньше, чем мягкий феррит. После травления темные участки перлита в сочетании с ферритом или це­ментитом. Поскольку перлит состоит из феррита и цементита, его свойства определяются количеством этих составляющих. Со­держание феррита в перлите в шесть раз больше, чем цементита. Механические свойства перлита зависят также от формы цемен­тита. У пластинчатого перлита твердость 180-200 НВ, предел прочности σ_в=800 МПа (80 кгс/мм²), относительное удлинение 5=10+12%. У зернистого перлита прочность и твер­дость несколько ниже, а пластические свойства выше. Так как перлит содержит а-железо, он обладает магнитными свойствами.

Если железоуглеродистые сплавы нагреть до определенных тем­ператур, произойдет аллотропическое превращение а-железа в γ -железо и образуется структурная составляющая, которая называет­ся аустенитом.

Аустенит - твердый раствор углерода (до 2,14 %) и других примесей в γ-железе. Способность углерода ра­створяться в железе неодинакова при различных температурах. При температуре 1147 °С и выше в кристаллической решетке γ-железа может раствориться максимальное количество углерода (2,14 %). При температурах ниже 1147 °С растворимость углерода в γ -железе посте­пенно уменьшается, а избыточный углерод выделяется в виде цемен­тита. При 727 °С γ -железо может растворять не более 0,8 % углерода. При этой температуре происходит распад аустенита с образованием перлита. Лишь в некоторых сталях, содержащих большое количе­ство никеля или марганца, структура аустенита может сохраниться и при температурах ниже 727 °С (вплоть до комнатной). Аустенит — мягкая структурная составляющая (хотя и тверже феррита). Его твер­дость 180 НВ, относительное удлинение 8 = 40 + 50 %. Он отличается большой пластичностью, магнитными свойствами не обладает.

В белых чугунах всегда имеется еще одна структурная состав­ляющая — ледебурит. Это эвтектика, т. е. равномерная механи­ческая смесь зерен, аустенита и цементита, получающаяся в про­цессе кристаллизации. Ледебурит содержит 4,3 % углерода, образуется при температуре 1147 °С. Первоначаль­ная структура его не сохраняется при температурах ниже 727 °С, так как содержащийся в нем аустенит при 727 °С превращается в перлит. При температурах ниже 727 °С ( до комнатной) ледебурит - механическая смесь перлита и це­ментита. Ледебурит отличается большой твердостью (550 НВ) и хрупкостью.

Железоуглеродистые сплавы всегда состо­ят из двух структурных элементов: мягкого пластичного фер­рита и твердого цементита, упрочняющего сплав. Эти элемен­ты могут образовать механическую смесь либо находиться в сво­бодном состоянии.

6.2 Диаграмма состояния сплавов железо-цементит (Fe—Fe₃C)

Рисунок 4.2 - Диаграмма состояния сплавов Fe—Fe₃C в упрощен­ном виде

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 4.2) охватывает не все сплавы железа с уг­леродом, а лишь те, которые содержат до 6,67 % углерода. Железоуглеродистые сплавы, содержа­щие более 5 % углерода, не представляют практического инте­реса, 6,67 % углерода взято на том основании, что при таком его количестве образуется химическое соедине­ние Fe₃C (цементит), которое может рассматриваться как само­стоятельный компонент сплава. Ди­аграмма состояния сплавов Fe—Fe₃C разделена на две части: диаграмму углеродистых сталей и диаграмму белых чугунов. Углеродистые стали — это сплавы железа, содержащие до 2,14 % углерода.

Стали имеющие в своем составе до 0,8 % углерода, называют­ся доэвтектоидными, 0,8 углерода — эвтектоидными, свыше 0,8 % до 2,14 % углерода — заэвтектоидными.

Белые чугуны — это сплавы железа, содержащие от 2,14 до 6,67 % углерода. При содержании от 2,14 до 4,3 % углерода белые чугуны называются доэвтектическими, при 4,3 % — эвтектичес­кими и свыше 4,3 до 6,67 % — заэвтектическими.