Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539o С ± 5o С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911o С и 1392o С. При температуре ниже 911o С существует Feα с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392o С устойчивым является Feγ с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Feδ или высокотемпературное Feα. Высокотемпературная модификация Feα не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращения Feα <->Feγ обозначают точкой A3, а температуру 1392o С превращения Feγ<->Feδ - точкой А4.При температуре ниже 768o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768o С обозначается А2.Структуры сталей. Структуры белого чугуна. Структуры сплавов. Структуры сталей и сплавов.Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – σв = 250МПа, предел текучести – σт = 120МПа) 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, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0С).В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С.Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.Фазами железоуглеродистых сплавов являются жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.2. Феррит (Ф) Feα (C) – твердый раствор внедрения углерода в α-железо.Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727o С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки..При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит (δ) (Feδ (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J)Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности – σв = 300МПа) и пластичен (относительное удлинение – δ = 30%), магнитен до 768o С.3. Аустенит (А) Feγ (С) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо.Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147o С (точка Е).Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ = 40..50%), парамагнитен.При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.4. Цементит – характеристика дана выше (в компонентах железоуглеродистых сплавов).В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

14. Диаграмма состояния железо-цементит. Эвтектические и эвтектоидные превращения

Железо – металл, плавящийчя при температуре 1539^оС и относящийся к полиморфным.

Полиморфизм – это возможность существования металлов в различных кристаллических модификациях.

В интервале 1539^оС – 1392^оС железо имеет ОЦК решетку.

В интервале 1392^оС – 911^оС железо имеет ГЦК решетку.

При температуре менее 911^оС железо имеет ОЦК решетку.

При температуре 768^оС железо из ферромагнитного переходит в паромагнитном состояние, т.е. становится немагнитным. Это т.н. точка Кюри. Железо сравнительно мягкий металл: s_в=250 МПа, НВ 80. Цементит – химическое соединение, отвечающее формуле Fe3C. Образуется при строго определенном количестве атомов Fe и C, причем доля C составляет 6,67%. Цементит является наиболее твердой фазой железоуглеродистых сплавов (НВ 800). При нагреве в определенных условиях цементит может распадаться с образованием железа и углерода в свободном состоянии в виде графита. Способность цементита к разложению положена в основу получения чугунов.На диаграмме состояния железа-цементит линия ABCD – линия липидус, а AHIECF – солидус.На диаграмме состояния есть две области, прилегающие к ординате, на которых откладывают температуру компонента железа, область феррита и область аустенита. Вообще на диаграмме можно выделить 4 фазы: жидкость, феррит, аустенит и цементит. Ферит – твердый раствор углерода в a-железе. Феррит имеет ОКЦ решетку. Чисто ферритные области: AHN (1539^оС – 1392^оС) (высоко температурный феррит) и AGPQ (911^оС и до комнатной). Аустенит – твердый раствор углерода в g-железе. Имеет ГЦК решетку. Область чистого аустенита MIESG.На диаграмме видно три горизонтальных линии, при температуре которых протекают нонвариантные рекации (С=0).По линии HIB при Т=1499^оС протекает перетектическая реакция, в результате которой жидкость состава точки B взаимодействует с кристаллами феррита в точке Н с образованием кристаллов аустенита в точке I.По линии ECF при Т=1147^оС протекает эвтектическая реакция, в результате которой жидкость в точке C распадается на аустенит в точке E и цементит. Мех-ая смесь аустенита и цементита в интервале T=1147 ^оС – 727^оС получила название ледебурит. По линии PSK при Т=727^оС протекает эвтектоидная реакция, в результате которой аустенит в точке S распадается на феррит в точке P и цементит. Феррита+цементит= перлит. Эвтектика отличается от эвтектоида тем, что 1-ая протекает с участием жидкой фазы. 2-ая явл. результатом распада твердого рас-ра. В связи с тем, что при т-ре меньше 727^оС аустенита быть не может, ледебурит видоизменяется и в интервале T=727^оС – 20^оС ледебурит – мех-ая смесь из перлита и цементита.На диаграмме видны линии ограниченной растворимости (PQи SE).При Т=20^оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,01% (в точке Q). При Т=727^оС количество С, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,02% (в точке P). При охлаждении избыток атомов С должен выделиться из ОЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита третичного. Аналогичное наблюдается и при растворении С в ГЦК решетке, если при Т=727^оС (точка S) С составляет 0,8%, то при Т=1147^оС (точка Е) – 2,14%. При охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ГЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита вторичного. По химическому составу цементит первичный, вторичный и третичный не отличаются. Это для того, чтобы отличить цементит, выделившийся из жидкости, из аустенита и из феррита.СплавыFe+Cс содержанием С до 2,14% называют сталь. Стали: доэвтектоидные, с содержанием С до 0,8% (феррит + перлит), эвтектоидные – 0,8% (перлит), заэвтектоидные–от 0,8% до 2,14% (перлит + цементит II). Сплавы Fe с Сс содержанием С более 2,14%называют чугунами: доэвтектоидные–от 2,14% до 4,3% (перлит + ледебурит + цементит), эвтектический –4,3% (ледебурит), заэвтектический – от 4,3% до 6,67% (ледебурит + цементит I).