Раздел 14. Диаграммы состояния и структура сплавов железа с углеродом
Тема 14.1. Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом в равновесном состоянии
Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы Fe - С. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железоуглеродистые сплавы.
Железо и углерод – элементы полиморфные. Железо с температурой плавления 1539°С имеет две модификации – α и γ. Модификация Feα существует от комнатной температуры до 911°С и имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм. Важной особенностью Feα является его ферромагнетизм ниже температуры 768°С, называемой точкой Кюри, которую обозначают как А2. Выше точки Кюри железо становится парамагнитным. При температуре 911°С α-Fe переходит в γ-Fe с ГЦК решеткой. Эта модификация существует в температурном интервале 911 − 1392°C. ГЦК решетка более компактная, чем ОЦК. В связи с этим при Feγ→ Feα объем железа уменьшается приблизительно на 1 %. При температуре 1392°C γ-Fe переходит в δ-Fe снова с решеткой ОЦК. Обычно температуру полиморфного превращения α ⇄ γ обозначают как критическую точку А3, а температуру превращения γ ⇄ α при 1392°С как точку А4.
Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз (это используют при получении синтетических алмазов).
Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.
Феррит (обозначают Ф или α) − твердый раствор внедрения углерода в Feα. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет лишь 0,02 %, в высокотемпературном − 0,1 %. Столь низкая растворимость углерода в Feα обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях). Феррит − мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: σв = 300 МПа; δ = 40 %; ψ = 70 %; KCU = 2,5 МДж/м2; твердость − 80 ÷ 100 НВ.
Аустенит (обозначают А или γ) − твердый раствор внедрения углерода в Feγ. Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Feγ значительно больше и достигает 2,14 %. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (160 – 200 НВ) при 20 – 25°С.
Цементит (обозначают Ц или Fе3С) − карбид железа (почти постоянного состава) Fе3С, содержит 6,67 % С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800 НВ) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при 210°С. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260°С.
Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.
Диаграммы состояния систем железо-цементит и железо-графит. Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе Fe − Fе3С (цементит), и стабильная, характеризующая превращения в системе Fe − С (рис. 14.1).
Рис. 14.1. Совмещенная фазовая диаграмма железо–углерод
Метастабильная диаграмма состояния Fe – Fе3С (рис. 14.1) характеризует фазовый состав и превращения в системе Fe – Fе3С. Координаты характерных точек диаграммы следующие: точка А (1539°С) определяет температуру плавления (1392°С) и G (911°С) соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки H (0,1 % С) и P (0,02 % С) характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е (2,14 % С) определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.