3. Сплавы железа с углеродом
3.1 Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представление о строении основных конструкционных сплавов — сталей и чугунов.
Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом.
Железо — пластичный металл серебристо-белого цвета с невысокой
твердостью (НВ 80). Температура плавления — 1539°С, плотность 7,83 г/см3.
Имеет полиморфные модификации (см. раздел 2.1.). С углеродом железо образует химическое соединение и твердые растворы.
Ферритом называется твердый раствор углерода в а- железе. Содержание
углерода в феррите очень невелико — максимальное 0,02% при температуре 727°С. Благодаря столь малому содержанию углерода свойства феррита совпадают со свойствами железа (низкая твердость и высокая пластичность). Твердый раствор углерода в высокотемпературной модификации Feα (т.е. в Feδ) часто называют δ- ферритом или высокотемпературным ферритом.
Рис. 13 Феррит
Аустенит — это твердый раствор углерода в γ- железе. Максимальное
содержание углерода в аустените составляет 2,14% (при температуре 1147°С). Имеет твердость НВ 220
Рис. 14 Аустенит
Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид
железа) Fe3C. В нем содержится 6,67 % углерода (по массе). Имеет сложную
ромбическую кристаллическую решетку. Характеризуется очень высокой
твердостью (НВ 800), крайне низкой пластичностью и хрупкостью.
Рис. 15 Пластинчатый перлит
Рис. 16 Зернистый перлит
Перлит — это механическая смесь феррита с цементитом. Содержит 0,8%
углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита. Перлит является эвтектоидом.
Эвтектоид — это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого
раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).
Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3% углерода, образуется из жидкого сплава при
температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит, входящий в состав
ледебурита превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит
представляет собой механическую смесь перлита с цементитом. Фаза цементита имеет пять структурных форм: цементит первичный, образующийся из жидкого сплава; цементит вторичный, образующийся из
аустенита; цементит третичный, образующийся из феррита; цементит ледебурита; цементит перлита.
Диаграмма Fe-Fe3C. На рис. 17 приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода
от 0 до 6,67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температуры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно международному стандарту и изменению не подлежит.
Точка |
Температура при |
нагреве, °С |
Предельная концентрация |
А |
1539 |
0 |
Температура плавления железа |
В |
1499 |
0.51 |
Состав жидкой фазы при перитектической реакции |
С |
1147 |
4.3 |
Состав эвтектики - ледебурита |
D |
1260 |
6.67 |
Состав эвтектики - ледебурита |
E |
1147 |
2.14 |
Предельная растворимость углерода в γ- железе |
J |
1499 |
0.16 |
Состав аустенита при перитектической реакции |
H |
1499 |
0.1 |
Состав феррита при перитектической реакции |
N |
1399 |
0 |
Превращение δ - железа в γ - железо |
G |
911 |
0 |
Превращение α - железа в γ - железо |
S |
727 |
0.8 |
Состав эвтектоида - перлит |
Р |
727 |
0.025 |
Предельная растворимость углеро- да в α - железе |
Q |
20 |
0.01 |
Минимальная растворимость углерода в α - железе |
Рис. 17 Диаграмма состояния железо-углерод
Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода делятся
на техническое железо (до 0,02% С), сталь (от 0,02 до 2,14 % С) и чугун (от 2,14 до 6,67% С). Сталь, содержащая до 0,8% С называется доэвтектоидной, 0,8% С — эвтектоидной и свыше 0,8% С — заэвтектоидной. Чугун, содержащий от 2,14 до 4,3% С называется доэвтектическим, ровно 4,3% — эвтектическим и от 4,3 до 6,67% С — заэвтектическим.
Структура техническою железа представляет собой зерна феррита или
феррит с небольшим количеством третичного цементита. Обязательной
структурной составляющей стали является перлит. Структура доэвтектоидной стали, состоит из равномерно распределенных зерен феррита и перлита. Эвтектоидная сталь состоит только из перлита. Структура заэвтектоидной стали представляет собой зерна перлита, окруженные сплошной или прерывистой сеткой вторичного цементита. Для чугуна характерно наличие ледебурита в структуре. Структура доэвтектического чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита, эвтектическою — из ледебурита и заэвтектического — из ледебурита и
первичного цементита. Значение диаграммы железо - цементит состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить режимы термической обработки для изменения свойств сталей.
Занятие 6