Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. 

Основными компонентами, от которых зависит структура  и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. Чистое железо - металл серебристо-белого цвета; температура  плавления 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации: α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 911°С и выше 1392°С; γ-железо — при 911-1392°С. 

В зависимости  от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие  структурные составляющие. 

1. Феррит (Ф) - твердый  раствор внедрения углерода в  α-железе. Растворимость углерода  в α-железе при комнатной температуре  до 0,005%; наибольшая растворимость  - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную  твердость (НВ 80-100) и прочность  (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; ψ=80%). 

2. Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода  в γ-железе. В железоуглеродистых  сплавах он может существовать  только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода  в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Эта температура является нижней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пластичен (δ =40-50%). 

3. Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ-800), хрупок и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe3C→3Fe+C. 

4. Графит - это  свободный углерод, мягок (НВ-3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной  стали содержится в виде включений  различных форм (пластинчатой, шаровидной  и др.). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава. 

5. Перлит (П) - механическая  смесь (эвтектоид, т.е. подобный  эвтектике, но образующийся из  твердой фазы) феррита и цементита,  содержащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σв =800МПа; относительное удлинение δ =15%; твердость НВ 160. Перлит образуется следующим образом. Пластинка (глобула) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неметаллическое включение. При этом соседние области объединяются углеродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образованию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита. 

6. Ледебурит  (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре  

Диаграмма состояния  железо — цементит (в упрощенном виде): 

А — аустенит, П — перлит, Л — ледебурит, Ф — феррит, Ц — цементит 

ниже 727"С ледебурит  представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь перлита с цементитом. 

Помимо перечисленных  структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные  неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды — соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые структурные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5—0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна. 

Диаграмма состояния  железо - цементит. В диаграмме состояния  железо — цементит (Fe—Fe3C) рассматриваются  процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их структурах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной температуры. Диаграмма (рис. 14) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14до 6,67% — чугуном. 

Диаграмма состояния Fe—Fe3C представлена в упрощенном виде. Первичная кристаллизация, т.е. затвердевание  жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539° плавления (затвердевания) железа, точка D - температуре ~ 1600°С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса АЕСР соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD — цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147° С и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику — ледебурит. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14—4,3% С — аустенита, а в интервале 4,3—6,67% С цементита первичного (см.рис. 14). 

В результате первичной  кристаллизации во всех сплавах с  содержанием углерода до 2,14%, т.е. в  сталях, образуется однофазная структура — аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т.е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита. 

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих  линиям GSE, PSK и ОРО. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую (у в а) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. 

В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с  выделением феррита при температурах, соответствующих линии GS, и цементита, называемого вторичным, при температурах, соответствующих лини и SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделявшегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже линии GР существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до температур, соответствующих линии PQ , из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что с понижением температуры  

Микроструктура: 

а - доэвтектоидная сталь - феррит (светлые участки) и перлит (темные участки) при 500х увеличении, б — эвтектоидная сталь — перлит (1000'), в — заэвтектоидная сталь - перлит и цементит в виде сетки (200') 

растворимость углерода в феррите уменьшается  от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре. 

В точке S при  содержании 0,8% углерода и температуре 727°С весь аустенит распадается и  превращается в механическую смесь  феррита и цементита—перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной (рис. 15, б). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода называют доэвтектоидными (рис. 15, а), а от 0,8 до 2,14% углерода - заэвтектоидными (рис. 15, в). 

При температурах, соответствующих линии PSK, происходит распад аустенита, оставшегося в  любом сплаве системы, с образованием перлита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения. 

При температурах, соответствующих линии SE, аустенит насыщен углеродом, и при понижении  температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного). 

Вертикaль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химический состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что существенно  отражается на свойствах сплавов. Самые  крупные кристаллы цементита  образуются, когда он выделяется при первичной кристаллизации из жидкости. 

Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 16). Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода — заэвтектическими. 
 

Микроструктура  белого чугуна при 500х увеличении: 

а — доэвтектический  чугун — перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный  в структуре не виден), б—эвтектический  чугун —ледебурит (смесь перлита  и цементита), в - заэвтектический  чугун - цементит (светлые пластины) и ледебурит

По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом доэвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические  белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит + цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем меньше в нем перлита и больше ледебурита. 

Белый эвтектический  чугун (4,3% углерода) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, содержащий более 4,3% углерода, после окончательного охлаждения состоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит превращается в перлит, т.е. ледебурит при комнатной температуре представляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости. 

Диаграмма состояния  железо — цементит имеет большое  практическое значение. Ее применяют  для определения тепловых режимов  термической обработки и горячей  обработки давлением (ковка, горячая  штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы