1.2. Фазы и структурные составляющие системы железо – углерод.

В зависимости от содержания углерода и температуры в системе железо - углерод наблюдаются од­нофазные структуры образования - жидкий сплав углерода и железа, твердые растворы углерода в же­лезе - феррит и аустенит, химиче­ское соединение железа и углеро­да - цементит, структурно свобод­ный углерод - графит, а также двухфазные структурные состав­ляющие - перлит и ледебурит.

Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеет ОЦК решетку (рис. 2). Максималь­ная растворимость углерода в -железе при температуре 727°С со­ставляет 0,02%. Феррит магнитен, на диаграмме состояния Fе-С (рис.3) занимает область GРQ. Он характеризуется низкой прочностью (_в=250 МПа, _0,2=120 МПа) и твердостью (80...100 НВ), высокой пластичностью (=50%, =80%).

Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеет ГЦК решетку (рис. 1). Предельная раство­римость углерода в -железе при температуре 1147°С составляет 2,14%. Аустенит немагнитен, на диаграмме состояния Fе-С занимает область АЕSG. Он имеет твердость 160 НВ при высокой пластичности (=40...50%), низкий предел текучести.

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (кар­бид железа Fе₃С), содержит 6,67% С. Цементит имеет сложную ром­бическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита не установлена и принимается равной 1252 °С. Цементит характеризуется высокой твердостью (>800НВ) и очень низкой пластичностью. Он является метастабильной фазой и при нагреве распадается с выделением свободного графита. В зависи­мости от условий образования различают цементит первичный (Ц_I),который образуется из жидкости при затвердевании расплава, вторичный (Ц_II) - образуется при распаде аустенита и третичный (Ц_III) - образу­ется при выделении углерода из феррита.

Перлит (П) - двухфазная (эвтектоидная) механическая смесь феррита и цементи­та, содержащая 0,83% С, образуется при 727 °С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения. Перлит может быть пластинчатым (состоящим из чередующихся пластинок цементита и феррита) и зернистым, что определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит име­ет прочность _в=800 МПа, пластичность =15%, твердость 160...200 НВ.

Ледебурит (Л) - двухфазная (эвтектическая) механическая смесь аустенита и цементита. Образуется в результате кристаллизации жид­кого расплава, содержащего 4,3% С при температуре 1147 °С. Твер­дость ледебурита 600...700 НВ. Он очень хрупок. Так как при темпера­туре ниже эвтектоидной (727 °С) аустенит превращается в перлит, то ледебурит ниже эвтектоидной прямой РК состо­ит из цементита и перли­та.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые спла­вы делят на техническое железо (содержание углерода от 0 до 0,02%), стали (от 0,02 до 2,14%) и чугуны (от 2,14 до 6,67%). Стали, в свою оче­редь, делят на доэвтектоидные (С<0,8%), эвтектоидные (С=0,8%) и заэвтектоидные (С>0,8%). Доэвтектоидные стали используются преимущественно в качестве конструкционных, эвтектоидные и заэвтектоидные – в качестве инструментальных материалов. Структура доэвтектоидных сталей (рис. 4) состоит из феррита (белые включения) и перлита (темные включения). С увеличением со­держания углерода количество перлита увеличивается, а феррита - уменьшается. Структура эвтектоидной стали (рис. 5) на 100% состоит из перлита, а заэвтектоидной (рис. 6) - из перлита (темные участки) и цементита (светлые участки в виде сетки по границам зерен).

На диаграмме состояния представлены так называемые белые чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в со­ставе цементита. Эти чугуны в зависимости от содержания угле­рода и структуры классифицируют на доэвтектические (массовая доля углерода меньше 4,3%), эвтектические (массовая доля углерода равна 4,3%) и заэвтектические (массовая доля углерода 4,3...6,67%).

Они практически не поддаются обработке резанием и используются для последующего передела в сталь или ковкий чугун.

Специальным легированием и (или) замедленным охлаждением можно создать условия, при которых кристаллизация чугунов будет сопровождаться выделением из железоуглеродистого расплава угле­рода в свободном состоянии в виде графита, или (и) получают разви­тие процессы распада цементита с выделением структурно свободного графита по реакциям ЦА+Г; ЦФ+Г.

Такие чугуны, в которых весь углерод либо его значительная часть находятся в свободном состоянии - в виде графита, называются серыми.

По структуре серые чугуны отличаются от стали только тем, что в них имеются графитовые включения, предопределяющие специ­фические свойства чугунов.

Графит в чугунах может быть в четырех основных формах:

- в виде лепестков, пластинок - пластинчатый графит;

- в виде червеобразных прожилок - вермикулярный графит;

- в виде округлых включений - шаровидный графит;

- в виде равноосных компактных, но не округлых форм - хлопьевид­ный графит.

Свойства чугунов зависят от свойств металлической основы (по этому признаку серые чугуны разделяют на перлитные, ферритоперлитные и ферритные), коли­чества и характера графитовых включений.

По форме графита различают чугун с пластинчатым графитом -обычный серый чугун (СЧ), с червеобразным графитом - серый вермикулярный (ЧВГ), чугун с шаровидным графитом - высокопрочный (ВЧ) и чугун с хлопьевидным графитом - ковкий чугун (КЧ).