Вопрос 1. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо (Fe), углерод (C) и цементит (Fe₃C).

Железо (Fe) —металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления — 1539^oС ± 5^oС.

В твёрдом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911ºС и 1392ºС. При температуре ниже 911ºС существует α -железо (Fe _α), обладающее объёмно-центрированной кубической решёткой. В интервале температур 911÷1392ºС устойчивым является γ -железо (Fe _γ), обладающее гранецентрированной кубической решёткой. Выше 1392ºС железо имеет объёмно-центрированную кубическую решётку и называется δ -железо (Fe _δ) или высокотемпературное α -железо (Fe _α).

При температуре ниже 768ºС железо ферромагнитно, а выше — парамагнитно. Точка Кюри железа — температура изменения магнитных свойств железа, соответствует 768ºС и обозначается А ₂.

Железо технической чистоты обладает невысокой твёрдостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности σ _в — 250 МПа, предел текучести σ _т — 120 МПа) 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 (Fe) характеризуется высоким модулем упругости Е, которым характеризуются и сплавы на его основе, благодаря чему обеспечивается высокая жёсткость и прочность деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами — твёрдые растворы замещения, с углеродом (C), азотом (N) и водородом (H) — твёрдые растворы внедрения.

Углерод (С) относится к неметаллам. Он обладает явлением полиморфизма. В зависимости от условий образования углерод (С) может существовать в форме графита с гексагональной слоистой кристаллической решёткой (температура плавления — 3500ºС, плотность — ρ = 2,25 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решёткой (температура плавления — 5000ºС). Графит является мягким материалом и обладает низкой прочностью. Однако с увеличением температуры прочность графита аномально растёт: при 20ºC σ _в = 20 МПа, а при 2500ºC σ _в = 40 МПа. При 2500ºC графит прочнее всех тугоплавких металлов.

В сплавах с железом углерод образует либо твёрдые растворы внедрения, либо химическое соединение — цементит (Fe₃C). Также углерод (С) может находиться в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

В системе «железо (Fe) – углерод (C)» существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц), графит (С).

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо (Fe) хорошо растворяет углерод (C) в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит (Ф) — твёрдый раствор внедрения углерода (С) в α -железе (Fe _α).

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02% при температуре 727ºС (точка P). Углерод (С) располагается в дефектах кристаллической решётки железа (Fe).

При температуре выше 1392ºС существует высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода (С) в δ -железе (Fe _δ) — 0,1% при температуре 1499ºС (точка H).

Свойства феррита близки к свойствам железа (Fe). Он мягок (твёрдость — 130 НВ, предел прочности — σ _в = 300 МПа) и пластичен (относительное удлинение — δ = 30%), обладает магнитными свойствами до температуры 768ºС.

Аустенит (А) — твёрдый раствор внедрения углерода (С) в γ -железе (Fe _γ).

В аустените углерод (C) занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода (C): минимальную — 0,8% при температуре 727ºС (точка S), максимальную — 2,14% при температуре 1147ºС (точка Е).

Аустенит имеет твёрдость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение его составляет δ = 40…50%), обладает парамагнитными свойствами.

И в феррите и в аустените могут растворяться многие легирующие элементы, образуя твёрдые растворы замещения и резко изменяя их свойства. Кроме того, легирование может значительно изменять температурные границы существования фаз.

Цементит (Ц) — химическое соединение железа (Fe) с углеродом (C) (карбид железа (Fe₃C)), содержащее 6,67% углерода (С).

Цементит (Fe₃C) не испытывает полиморфных превращений при изменении температуры. Кристаллическая решётка цементита (Fe₃C) состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита (Fe₃C) точно не установлена (по разным данным она составляет 1250ºС или 1600ºС). При низких температурах цементит (Fe₃C) слабо ферромагнитен. Магнитные свойства он теряет при температуре около 217ºС.

Цементит (Fe₃C) имеет высокую твёрдость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но очень низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решётки цементита (Fe₃C). С химическими элементами цементит (Fe₃C) способен образовывать твёрдые растворы замещения. Атомы углерода (C) могут замещаться атомами неметаллов: азотом (N), кислородом (O); атомы железа (Fe) — металлами: марганцем (Mn), хромом (Cr), вольфрамом (W) и др. Такой твёрдый раствор на базе решётки цементита (Fe₃C) получил название легированный цементит.

Цементит (Fe₃C) — соединение неустойчивое и при нагреве распадается с образованием свободного углерода (С) в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В железоуглеродистых сплавах выделяют три вида цементита (Fe₃C) в зависимости от температуры образования: цементит первичный (Ц _I), цементит вторичный (Ц _II), цементит третичный (Ц _III).

Ледебурит (Л) — механическая эвтектическая смесь (эвтектика) кристаллов аустенита А и цементита Ц в интервале температур 727 – 1147ºС, и перлита П (см. и цементита Ц при температурах ниже 727ºС, содержащая 4,3% углерода (C).

Вопрос 2. Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов. Структуры железоуглеродистых сплавов

Превращение аустенита в перлитные структуры происходит при медленном охлаждении, связано с диффузией углерода (C), сопровождается полиморфным превращением Fe _γ → Fe _α, выделением углерода (С) из аустенита, образованием химического соединения — цементита (Fe₃C) и его распределением по объёму материала. Условно данное превращение можно записать следующим образом:

Fe _γ (C) → Fe _α (C) + Fe₃C.

Перлит образуется при переохлаждении аустенита до температуры Т = 727…650ºC при скорости охлаждения V _охл. = 30…50ºC/с. Его образование возможно при малых степенях переохлаждения Δ T ниже линии PSK диаграммы «Fe-Fe₃C» в области температур 727 – 650ºС. Структура характеризуется твёрдостью порядка 180…250 НВ и степенью дисперсности пластинок цементита — Δ₀ ≈ (0,5…0,7)∙10^{-6 м.}

Сорбит образуется при переохлаждении аустенита до температуры Т = 650…600ºC при скорости охлаждения V _охл. = 50…60ºC/с. Структура характеризуется твёрдостью порядка 250…350 НВ, степенью дисперсности пластинок цементита — Δ₀ ≈ (0,1…0,5)∙10^{-8 м, высоким пределом упругости, достаточной вязкостью и прочностью. Стали со структурой сорбита имеют наибольшую пластичность. Структура названа в честь учёного Г. Сорби.}

Троостит образуется при переохлаждении аустенита до температуры Т = 600…550ºС при скорости охлаждения V _охл. = 60…100ºС/с. Твёрдость структуры составляет порядка 350…450 НВ, степень дисперсности пластинок цементита — Δ₀ ≈ 1∙10^{-10 м. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью и пластичностью. Структура названа в честь учёного Труста.}

Мартенсит — пересыщенный метастабильный твёрдый раствор внедрения углерода (C) в α -железе (Fe _α). Характеризуется искажённой кристаллической решёткой, что вызвано избыточным количеством внёдрённых атомов углерода, большой плотностью дислокаций, и высокой твёрдостью (HRC 60 – 65). Образуется мартенсит при скорости охлаждения 150 – 200ºC/c. Скорость роста кристаллов мартенсита очень велика и достигает 1000 м/с. Мартенсит имеет наибольший удельный объём по сравнению с другими структурными составляющими сталей, особенно с аустенитом, и обладает магнитными свойствами. Он является основной структурной составляющей закалённых сталей и определяет их свойства. Структура мартенсита названа в честь немецкого учёного-металлурга А. Мартенса (1850 – 1914 гг.).