Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Железоуглеродистые сплавы образуются двумя компонентами:

1) Железо – температура плавления 1539 ⁰С (±5 ⁰С), ρ=7,85 ^г/_см³, Fe_δ при Т>1392 ⁰C (ОЦК), Fe_γ при Т = 1392…911^oC (ГЦК), Fe_α при Т<911^oC (ОЦК), σ_в = 250 МПа, σ _т = 120 МПа, δ = 50%, ψ = 80% , НВ=800 МПа.

2) Углерод (графит) – ρ=2,25 ^г/_см³, σ _в = 20 МПа, при Т=2500⁰C, σ_в= 40 МПа, при Т = 3150 ⁰C графит переходит в газообразное состояние.

Фазы: 1) жидкость (Ж); 2) феррит (Ф); 3) аустенит (А), цементит (Ц).

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в решетку Fe_d или Fe_a – Ф_d и Ф_a. Максимальная растворимость в решетке Fe_δ при Т = 1499 ⁰C – 0,1%С.

Максимальная растворимость в решетке Fe_α при Т = 727 ⁰C – 0,02%С, при Т = 20 ⁰C составляет 0,006% С.

По свойствам феррит близок к техническому железу.

Аустенит – твёрдый раствор внедрения углерода в решётку Fe_γ. Максимальная растворимость при 1147 ⁰С составляет 2,14%С, минимальная растворимость – 0,8% С при 727 ⁰С. Аустенит немагнитен, имеет низкую прочность и высокую пластичность.

Цементит – карбид железа Fe₃C, образующийся при содержании углерода 6,67% (устойчивое химическое соединение), очень твёрдый и хрупкий (НВ = 8 000 МПа).

1.9.2 Диаграмма состояния «железо-цементит»

Железоуглеродистые сплавы изучаются на основании диаграммы состояния железо – углерод. Практическое значение имеет левая часть диаграммы до содержания 6,67% С, при котором образуется устойчивое химическое соединение железа и углерода – цементит (Fe₃C). Поэтому на практике принято рассматривать левую часть диаграммы Fe-C диаграмму состояния железо-цементит (рис.20). Сплавы, лежащие правее 6,67% С, очень хрупкие и практически не применяются.

ABCD – линия ликвидус.

AHJECF – линия солидус.

На линии АВ начинается кристаллизация феррита – δ, на линии ВС– аустенита, на линии CD – цементита.

Линия HJB (T=1499 ⁰C) – линия перитектического превращения: Ф_Н+Ж_В®А_J. Для сплавов, лежащих левее точки J, после перитектического превращения будет оставаться избыток феррита. Для сплавов, лежащих правее точки J, после перитектического превращения будет избыток жидкой фазы. Линия ECF (Т=1147 ⁰С) – линия эвтектического превращения: Ж_С®А_Е+Ц_F. Образующаяся эвтектика называется – ледебурит.

Железоуглеродистые сплавы, лежащие левее точки Е, называются сталями. Ниже линии солидус после окончания кристаллизации эти сплавы находятся в однофазном состоянии – аустенит. Стали имеют хорошее сочетание прочности, пластичности, вязкости. Точка Е определяет максимальную растворимость углерода в железе (2,14%). Сплавы, лежащие правее точки Е, называются чугунами, и после кристаллизации имеют двухфазную структуру (А+Ц). Это определяет низкую пластичность чугунов, (обрабатывать давлением нельзя) и хорошие литейные свойства.

Железоуглеродистые сплавы испытывают превращения и после окончания процесса кристаллизации в твёрдом состоянии.

1 Аллотропические превращения: линии NH и NJ–линии начала и конца превращения Ф_d®А, т.е. Fe_d(ОЦК) ® Feg (ГЦК); линии GS и GP – линии начала и конца превращения А® Ф_a, т.е. Feg (ГЦК) ® Fe_a(ОЦК).

2 Изменение растворимости углерода в железе: ES – линия изменения растворимости углерода в аустените (решётке Feg). С понижением температуры избыточный углерод выделяется из аустенита и образует с железом так называемый вторичный цементит (Ц_II).

PQ– линия изменения растворимости углерода в феррите (решётке Fe_a). С понижением температуры углерод выделяется и образует цементит третичный (Ц_III).

3 Эвтектоидное превращение происходит по линии PSK (727­⁰С) при этом аустенит состава точки S (0,8%С) распадается с образованием двух новых фаз – феррита состава точки Р (0,02%С) и цементита состава точки К (6,67%С): А_S®Ф_Р+Ц_К. Образовавшаяся мелкодисперсная механическая смесь феррита и цементита (эвтектоид) называется перлит (П).

Эвтектоидное превращение испытывает и аустенит, входящий в состав ледебурита (в сплавах правее точки Е – чугунах): ниже 727 ⁰С ледебурит состоит из механической смеси перлита и цементита, иногда его называют ледебуритом превращенным (Л_п).

Температуры превращений сплавов в твёрдом состоянии (критические точки) имеют условное обозначение:

А₁ – линия PSK соответствует превращению А→ П;

А₂ – линия МО (768 ⁰С) магнитное превращение железа (выше этой линии железо немагнитно, ниже – магнитно);

А₃ – линия GS – превращение А↔Ф_a

А₄ – линия HJ – превращение Ф_d↔А

А_cm – линия SE – начало выделения Ц_II.

Сплавы состава точки S называются эвтектоидными сталями и имеют структуру перлита [6, см. рис. 20]. Стали левее точки S называются доэвтектоидными и при нормальной температуре имеют структуру феррито-перлитную. Стали правее точки S называются заэвтектоидными и при нормальной температуре имеют структуру перлит + цементит вторичный.

Чугуны отличаются от сталей наличием в структуре ледебурита. Чугуны левее точки С называются доэвтектическими, правее точки С – заэвтектическими.

Углерод в диаграмме Fe-C может выделяться наряду с цементитом в виде графитовых включений. Этот процесс называется графитизацией и может наблюдаться при кристаллизации чугунов. Поэтому чугуны по микроструктуре делятся на белые – углерод находится в виде химического соединения и серые – углерод находится в виде графита.

2 ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА