Железо-цементит, ее практическое назначение

Более 70% всех конструкционных материалов – это чёрные металлы, то есть сплавы железа с углеродом – стали и чугуны. Объёмы производства сталей и чугунов в 10 раз больше, чем всех остальных металлов. Это объясняется большим сопротивлением деформации (прочность), разрушению (надёжность), а также сравнительной доступностью и стоимостью.

Положение критических точек, в которых происходят фазовые превращения, уточняется до сих пор, по мере появления более точных методов исследования и очистки металлов. Так, например, сравнительно недавно удалось определить температуру плавления цементита – химического соединения Fe ₃ C. Этот карбид достаточно устойчив и поэтому играет роль самостоятельного компонента системы. В цементите 6,67%   С, он очень хрупок, поэтому рассматривают диаграмму состояния Fe - Fe ₃ C, имеющую большое практическое значение. Вторая нижняя шкала по оси абсцисс позволяет определить содержание цементита в сплаве, если умножить содержание углерода по верхней шкале на 15 (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Диаграмма состояния железо-цементит

Фазы системы: жидкость (Ж), карбид железа – цементит (Ц), твёрдый раствор в α-железе – феррит (Ф), твёрдый раствор в γ-железе – аустенит (А).

Горизонтальные линии: перитектическая HJB, эвтектическая ECF, эвтектоидная PSK.   Эвтектическая смесь называется ледебуритом, а эвтектоидная смесь – перлитом. Сплавы до 0,5% С испытывают перитектическое превращение, которое не имеет большого значения, потому что в результате образуется аустенит. Кристаллизация из жидкости называется первичной, а из аустенита – вторичной.

Сплавы с содержанием менее 2,14% С при первичной кристаллизации содержат аустенит, обладающий ковкостью, эти сплавы назвали сталями.

По диаграмме состояния можно определить состав и структуру сплава при любой температуре, что позволяет получать материал с заранее заданными свойствами. Пользуясь диаграммой Fe - Fe ₃ C, можно определить температуры ковки, заливки в форму, нагрева стали под закалку, термомеханической и химико-термической обработки, других операций термической обработки.

По диаграмме можно определить технологию легирования стали и чугуна разными элементами, сдвигающими критические точки. Углерод сильно влияет на свойства стали (прочность, пластичность, ударную вязкость, твёрдость, хладоёмкость и т.д.).

Fe_α от низких температур до 768^оС, эта фаза имеет решетку о.ц.к., низкую прочность и твердость 80 НВ, низкий предел текучести, удельный вес 7,8 г/см³, обладает магнитными свойствами (является ферромагнетиком), растворяет углерод 0,006% при 20^оС и 0,02% при 727^оС. Твердый раствор углерода в Fe_б называется ферритом. Свойства феррита близки к свойствам чистого Fe. Fe_β — о.ц.к., существует от 768^оС до 910^оС, растворяет углерод в небольших количествах, немагнитен, при температуре 768^оС теряет магнетизм, 768^оС — точка Кюри, парамагнетик.

При температуре 910-1400^оС существует Fe_γ, решетка г.ц.к. это железо немагнитно, растворяет 2,14% С при температуре 1147^оС. Раствор углерода в Fe_γ называется аустенитом, он немагнитен, тверже феррита, достаточно пластичен.

Fe_β существует при температуре 1400-1539^оС. При температуре 1539^оС происходит плавление Fe. Переход Fe_α→Fe_γ происходит с изменением объема (1%) (у α больше V). Fe₃C - 6,7% С, твердость - 800 НВ.

Fe₃C - цементит, при низких температурах магнитен.

Fe₃C > Fe + Графит.

При температуре 1147^оС идет реакция, в результате которой образуется эвтектика: смесь аустенита и цементита - ледебурит, [А+Ц] - 4,3% С.

Феррит + цементит + перлит. [Ф+Ц] - 0,8% С, твердость НВ 800.

Из жидкости выделяется Ц_I, из А – Ц_II из Ф – Ц_III. До 2,14% С - стали, после - чугуны.

Сначала жидкость переходит в аустенит, потом происходит переход жидкости в ледебурит аустенитовый (эвтектическая реакция), аустенит переходит в перлит (эвтектоидная реакция), аустенит переходит в феррит.

Контрольные вопросы

1. Как определить содержание цементита в сплаве по второй нижней шкале по оси абсцисс диаграммы состояния железо-цементит?

2. Назовите фазы системы состояния железо-цементит.

3. На какие механические свойства стали влияет углерод?

4. Как на практике можно использовать диаграмму состояния железо-цементит?